Берегозащитный волногаситель и способ его возведения

 

Использование: в гидротехническом строительстве, а именно, при возведении берегозащитных намывных сооружений. Сущность изобретения: берегозащитный волногаситель содержит намывное сооружение из грунтового материала и волногасящие элементы, выполненные в виде горизонтальных перфорированных полых стержней, на которых нанизаны тороидальные наносоуловители. Волногасящие элементы установлены параллельно береговой черте в виде треугольной призмы на пневматической опалубке под перекрытием береговой эспланады выше и ниже поверхности водоема. В теле намывного сооружения образуют зону неполного водонасыщения, откачивая воду из горизонтальных полых перфорированных стержней, а после аккумуляции наносообразующего грунтового материала на напорном откосе намывного сооружения в теле последнего образуют зону полного водонасыщения, подавая воду в горизонтальные полые перфорированные стержни, и перемещают волногасящие элементы к поверхности напорного откоса, закачивая воздух в пневматическую опалубку. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям и может быть использовано при возведении берегозащитных намывных сооружений.

Известно устройство для берегозащиты и гашения волновой энергии - берегозащитный волнолом, включающий волногасящие элементы, выполненные в виде связки труб, расположенных вплотную одна к другой, по меньшей мере, тремя горизонтальными рядами, перпендикулярно береговой линии. При этом средний ряд труб располагается на поверхности водоема, а верхние и нижние ряды, соответственно, выше и ниже этой поверхности.

Волны, проходя сквозь трубы, теряют часть своей энергии, воздействующей на побережье (US, патент, 4877349).

Однако, такое техническое решение не обеспечивает защиту берега от размыва и аккумуляцию наносообразующего грунтового материала, что приводит к значительной эрозии побережья и подводного берегового склона.

Известен способ стабилизации песчаного берега, включающий намыв верхней полосы профиля берега и перемещение спаренной дренажной магистрали ближе к морю (US, патент, 5052857).

Однако, при активном волновом воздействии наносообразующий грунтовый материал вымывался с поверхности напорного откоса намывного сооружения вследствие отсутствия на нем волногасящих элементов. Кроме того, при длительной эксплуатации предложенной конструкции устройства дренажная магистраль кольматируется мелкодисперсными фракциями наносообразующего грунтового материала и не выполняет своих функций аккумулятора наносов.

Наиболее близким из известных является способ возведения берегозащитного волногасителя, включающий установку волногасящих элементов в теле намывного сооружения, удаление воды из волногасящих элементов и образованием зоны неполного водонасыщения, впитывание набегающего волнового потока в осушенный напорный откос намывного сооружения и аккумуляцию на нем наносообразующего грунтового материала.

Однако, и в этом случае не обеспечивалась достаточно надежная защита берега от размыва и гашение энергии волнового потока на напорном откосе намывного сооружения. При этом интенсивность аккумуляции наносообразующего грунтового материала быстро ослабевает вследствие кольматации дренажной системы и отсутствия механизма ее своевременного восстановления, например, подъема к поверхности напорного откоса для последующей эффективной эксплуатации и проведения профилактического ремонта.

Кроме того, по мере роста берегозащитного намывного сооружения образование в нем зоны неполного водонасыщения и ее поддерживание в рабочем состоянии на больших глубинах затруднено.

Берегозащитный волногаситель, возводимый указанным выше способом, содержит намывное сооружение с грунтовым материалом и волногасящие элементы, выполненные в виде горизонтальных перфорированных полых стержней и расположенные параллельно береговой черте ниже поверхности водоема (реферативный журнал "Водный транспорт", N 9, 1992, с. 26, публикация 9Б178).

Недостатком такой конструкции берегозащитного устройства является отсутствие специальных волногасящих элементов, выполняющих одновременно функции гасителей энергии волнового потока и аккумуляторов наносообразующего грунтового материала, а также отсутствие элементов, обеспечивающих вертикальное перемещение устройства по мере роста намывного сооружения, погружения и/или осадки его основания.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности волногашения и аккумуляции наносообразующего грунтового материала.

Поставленная цель достигается тем, что в берегозащитном волногасителе, содержащем намывное сооружение с грунтовым материалом и волногасящие элементы, выполненные в виде горизонтальных перфорированных полых стержней и расположенные параллельно береговой черте ниже поверхности водоема, волногасящие элементы снабжены тороидальными наносоуловителями грунтового материала и установлены в виде треугольной призмы на пневматической опалубке под перекрытием береговой эспланады выше и ниже поверхности водоема.

Поставленная цель достигается также тем, что в способе возведения берегозащитного волногасителя, включающем установку волногасящих элементов в теле намывного сооружения, удаление воды из волногасящих элементов и образование зоны неполного водонасыщения, впитывание набегающего волнового потока в осушенный напорный откос намывного сооружения и аккумуляцию на нем наносообразующего грунтового материала, устанавливают волногасящие элементы на пневматическую опалубку, а после аккумуляции наносообразующего грунтового материала на напорном откосе образуют зону полного водонасыщения в теле намывного сооружения, создают избыточное давление внутри пневматической опалубки и перемещают волногасящие элементы к поверхности напорного откоса.

На фиг. 1 изображен в плане берегозащитный волногаситель; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 при сложенной пневматической опалубке; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 1 при развернутой пневматической опалубке; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг. 1.

Берегозащитный волногаситель содержит намывное сооружение 1 с грунтовым материалом 2 и волногасящие элементы 3, выполненные в виде перфорированных полых стержней 4, на которых нанизаны тороидальные наносоуловители 5 грунтового материала 2.

Тороидальные наносоуловители 5 и перфорированные полые стержни 4 горизонтально уложены в шахматном порядке на напорном откосе 6 намывного сооружения 1. Перфорированные полые стержни 4 соединены между собой жесткими связями 7 и образуют треугольную призму 8.

Треугольная призма 8 установлена на пневматической опалубке 9, армированной высокопрочной капроновой сеткой 10, под перекрытием береговой эспланады 11 выше и ниже уровня поверхности 12 водоема. При этом в теле намывного сооружения 1 между поверхностью напорного откоса 6 и уровнем 13 грунтовых вод расположена зона 14 неполного водонасыщения /зона аэрации/.

Береговая эспланада 11 установлена на напорном откосе 6 намывного сооружения 1 параллельно береговой черте 15 и включает следующие конструктивные элементы: опорные балки 16, ригели 17, и закладные детали 18. При этом закладные детали 18 выполнены в виде двутавровых железобетонных балок. Кроме того, в состав береговой эспланады 11 входят: наклонная балка 19 Г-образной формы, ростверк 20, плита 21 перекрытия и смотровые люки 22 /фиг. 1 и фиг. 2/.

Используются также вспомогательные средства и оборудование. В их состав входят: передвижная насосная станция 23 с водовоздушным и водоводяным эжекторами, компрессорная станция 24, соединительные высоконапорные шланги 25, задвижки 26, транспортное средство 27.

Намывное сооружение 1 выполняется в виде искусственного пляжа, береговой территории, резерва грунта, намывных бун различного профиля и является основанием для берегозащитного волногасителя. Назначение намывного сооружения 1 надежная защита берега от разрушения волновой эрозией посредством волногашения и аккумуляции на его напорном откосе 6 наносообразующего грунтового материала 2.

Грунтовой материал 2 намывного сооружения 1 песок различной крупности, а также гравийно-галечные отложения побережья и подводного берегового склона.

Перфорированные полые стержни 4, на которые нанизаны тороидальные наносоуловители 5, выполнены из металлических труб, стенки которых свободно пропускают воду, но препятствуют прохождению наносообразующего грунтового материала 2.

Тороидальные наносоуловители 5 нанизаны на горизонтальные перфорированные полые стержни 4, расположенные в шахматном порядке в виде треугольной призмы 8. В качестве тороидальных наносоуловителей 5 могут быть использованы автомобильные автопокрышки.

Волногасящие элементы 3 выполняют следующие функции: обеспечивают гашение энергии волнового потока на напорном откосе 6 намывного сооружения 1, снимают уровень его эрозионного воздействия; аккумулируют наносообразующий грунтовый материал 2 на шероховатой поверхности тороидальных наносоуловителей 5; аккумулируют и задерживают грунтовый материал 2 посредством впитывания набегающего волнового потока на напорном откосе 6 намывного сооружения 1; предотвращают загрязнение и обеспечивают очистку напорного откоса 6 от загрязняющих ингредиентов посредством их сбора и аккумуляции в пневматической опалубке 9 с последующей утилизацией за пределами береговой зоны.

Напорный откос 6 намывного сооружения 1 расположен выше и ниже береговой черты 15, имеет уклон 1:20 1:40 в сторону водоема и формируется под воздействием волнового потока и наносообразующего грунтового материала 2.

Жесткие связи 7 предназначены для фиксированного крепления перфорированных полых стержней 4 между собой и с тороидальными наносоуловителями 5.

Жесткие связи 7 выполнены из стальной арматуры и соединены между собой посредством сварки.

Треугольная призма 8 включает параллельные ряды гирлянд тороидальных наносоуловителей 5, нанизанных на перфорированные полые стержни 4, установленные горизонтально и расположенные в шахматном порядке параллельно береговой черте выше и ниже уровня поверхности 12 водоема.

Треугольная призма 8 предназначена для разрушения набегающего на напорный откос 6 волнового потока, аккумуляции наносообразующего грунтового материала 2 и удерживания грунтового материала 2 в теле намывного сооружения 1.

Пневматическая опалубка 9 предназначена для: поддержания треугольной призмы 8 в зоне активного волнового воздействия на напорном откосе 6 намывного сооружения 1; вертикального перемешивания треугольной призмы 8 по мере роста намывного сооружения 1 для своевременного повышения активности процессов волногашения и аккумуляции наносообразующего грунтового материала 2; извлечения треугольной призмы 8 из намытого грунтового материала 2 на поверхность намывного сооружения 1 для профилактического ремонта, например, при кольматации перфорированных полых стержней 4 или при повреждении тороидальных наносоуловителей 5 в результате активного волнового воздействия; сбора, аккумуляции и временного хранения загрязняющих ингредиентов, в том числе неорганических соединений /нитратов, фосфатов, калийных солей/, нефтепродуктов, токсичных соединений /солей тяжелых металлов, окислителей, веществ общеядовитого действия/ радиоактивных продуктов и др/.

Пневматическая опалубка 8 выполнена из высокопрочного водонепроницаемого материала, например, прорезиненного капрона в виде надувного многосекционного матраса и армирована капроновой сеткой 10.

Армирующая сетка 10 обеспечивает прочность конструкции пневматической опалубки 9. Так например, при заполнении пневматической опалубки 9 водовоздушной смесью до расчетного рабочего давления, армирующая жесткая основа сетки 10 принимает на себя растягивающие усилия от внешних изгибающих нагрузок и внутреннего давления заполнителей, препятствует запроектному растяжению пневматической опалубки 9.

Береговая эспланада 11 предназначена для технического обслуживания и поддержания в рабочем положении конструктивных элементов берегозащитного волногасителя, а именно: волногасящих элементов 3, пневматической опалубки 9, передвижных насосной станции 23 и компрессорной станции 24.

Уровень 13 грунтовых вод определяет границу раздела между зоной 14 неполного водонасыщения и зоной полного водонасыщения, расположенной ниже уровня 13 грунтовых вод. Степень водонасыщения грунтового материала 2 в теле намывного сооружения 1, в свою очередь, определяет: направленность и интенсивность движения воды в межпоровом пространстве грунтового материала 2;
сцепление между минеральными частицами грунтового материала 2 и устойчивостью намывного сооружения 1 к волновой эрозии;
интенсивность впитывания набегающего волнового потока на напорном откосе 6 намывного сооружения 1;
интенсивность очистки грунтового материала 2 от загрязняющих ингредиентов, их аккумуляции и сбора в образованные емкости пневматической опалубки 9.

Зона 14 неполного водонасыщения расположена в теле намывного сооружения 1 между поверхностью напорного откоса 6 и уровнем 13 грунтовых вод.

Мощность зоны 14 неполного водонасыщения в теле намывного сооружения 1 при работе дренажа с передвижной насосной станцией 23 составляет от 0,5 до 3,5 м и более.

Создание зоны 14 неполного водонасыщения необходимо для образования вакуума под поверхностью напорного откоса 6 и вокруг перфорированных полых стержней 4, что значительно повышает эффективность аккумуляции наносообразующего грунтового материала 2 на напорном откосе 6 выше и ниже уровня поверхности 12 водоема.

Береговая черта 15 определяет границу раздела между сушей и водоемом, а также местоположение конструкции берегозащитного волногасителя на напорном откосе 6 намывного сооружения 1.

Опорная балка 16 береговой эспланады 11 предназначена для передачи нагрузки от сооружения на грунт основания и выполнена в виде вертикальной опоры, на которой устанавливают ригели 17, плиты 21 перекрытия, а также ростверк 20 и наклонные балки 19 Г-образной формы. Опорная балка 16 имеет форму бруса прямоугольного сечения.

Ригель 17 береговой эспланады 11 является линейным несущим элементом конструкции, расположен горизонтально и жестко соединяет вертикальные опорные балки 16, а также служит опорой для плит 21 перекрытия.

Закладная деталь 18 является элементом конструкции береговой эспланады 11 и предназначена для соединения наклонных балок 19 Г-образной формы между собой.

Наклонная балка 19 Г-образной формы предназначена для гашения энергии набегающего волнового потока, а также для защиты тороидальных наносоуловителей 5 и перфорированных полых стержней 4 от механического повреждения при экстремальных штормовых воздействиях.

Ростверк 20 береговой эспланады 11 предназначен для связи головных частей опорных балок 16 и наклонных балок 19 Г-образной формы, а также является опорой для центральной плиты 21 перекрытия.

Плита 21 перекрытия является ограждающей горизонтальной конструкцией, которая воспринимает и передает нагрузку на вертикальные опорные балки 16.

Смотровые люки 22 предназначены для технического осмотра и обслуживания элементов берегозащитного волногасителя с береговой эспланады 11, а именно:
для подачи водовоздушной смеси от передвижных компрессорной станции 24 и насосной станции 23 через соединительные высоконапорные штанги 25 к пневматической опалубке 9;
управления режимом работы волногасящих элементов 3 с использованием задвижек 26, установленных на соединительных высоконапорных штангах 25;
для профилактического и капитального ремонта отдельных элементов конструкции.

Передвижная насосная станция 23 представляет собой устройство, установленное на автомашине и предназначенное для:
откачки и подъема дренажных вод, поступающих к перфорированным полым стержням 4 с поверхности напорного откоса 6 намывного сооружения 1 и, при необходимости, подачи этих вод через соединительные высоконапорные шланги 25 в образуемую емкость пневматической опалубки 9;
подачи напорного потока воды к перфорированным полым стержням 4 для водонасыщения грунтового материала 2 при извлечении треугольной призмы 8 на поверхность напорного откоса 6 намывного сооружения 1, при этом создают избыточное давление внутри пневматической опалубки 9 и перемещают волногасящие элементы 3 к поверхности напорного откоса 6.

Отличительной особенностью устройства передвижной насосной станции 23 является ее установка на транспортном средстве 27 и возможность создания на наружной поверхности пефорированных полых стержней 4 устойчивого вакуума с помощью водовоздушного и водоводяного эжекторов /при откачке воды и воздуха из дренажной системы/.

Вакуумирование водонасыщенного грунтового материала 2 применяется для усиления эффекта аккумуляции грунта на напорном откосе 6 намывного сооружения 1. Для образования устойчивого вакуума, в конструкции передвижной насосной станции 23 предусмотрено использование водовоздушного эжектора, производящего, в основном, откачку воды, выделяющейся из водовоздушной смеси дренажной системы.

В то же время откачка воды, как и в обычных насосных станциях обеспечивается водоводяным эжектором. При этом оба эжектора работают от общего центробежного насоса, также входящего в комплект насосной станции 23. При значительном содержании в водовоздушной смеси дренажной системы одного из компонентов /воды или воздуха/ каждый из эжекторов передвижной насосной станции 23 берет на себя функции другого.

Передвижная компрессорная станция 24 также установлена на транспортном средстве 27 /автомашине/ и предназначена для подачи сжатого воздуха в образуемую замкнутую емкость пневматической опалубки 9 при ее извлечении на поверхность напорного откоса 6 намывного сооружения 1 вместе с треугольной призмой 8.

Соединительные высоконапорные шланги 25 выполнены из высокопрочного водонепроницаемого материала и предназначены для соединения передвижных компрессорной станции 24 и насосной станции 23 с пневматической опалубкой 9, а также соединения перфорированных полых стержней 4 с передвижной насосной станцией 23.

Задвижки 26 установлены на каждом соединительном высоконапорном шланге 25 и предназначены для регулирования расхода водовоздушной смеси, подаваемой или откачиваемой из пневматической опалубки 9 и из перфорированных полых стержней 4 волногасящих элементов 3.

Транспортное средство 27 /автомашина/ предназначено для перемещения компрессорной станции 24, насосной станции 23 и соединительных высоконапорных шлангов 25 по береговой эспланаде 11, а также для технического обслуживания берегозащитного волногасителя при его эксплуатации и ремонте отдельных конструктивных элементов.

Способ возведения берегозащитного волногасителя осуществляют последовательным выполнением следующих операций.

Первоначально устанавливают параллельно береговой черте 15 в теле намывного сооружения 1 на пневматической опалубке 9 треугольную призму 8 с волногасящими элементами 3 и перфорированными полыми стержнями 4. Для этого отрывают траншею в основании намывного сооружения 1 и на горизонтальном дне траншеи расстилают пневматическую опалубку 9, а на пневматической опалубке 9 устанавливают треугольную призму 8, основание которой должно быть расположено ниже уровня поверхности 12 водоема. При этом верхнюю часть треугольной призмы 8 с тороидальными наносоуловителями 5 располагают выше этого уровня.

Такое начальное положение треугольной призмы 8 берегозащитного волногасителя обеспечивает его устойчивость к активным волновым воздействиям и в то же время, создает благоприятные условия для аккумуляции наносообразующего грунтового материала 2 на напорном откосе 6 намывного сооружения 1.

После этого над треугольной призмой 8 с пневматической опалубкой 9 в основании устанавливают береговую эспланаду 11 и выполняют монтаж ее конструктивных элементов: опорных балок 16, ригелей 17, закладных деталей 18, ростверка 20, наклонных балок 19 Г-образной формы и плит 21 перекрытия.

Затем установленные в треугольной призме 8 перфорированные полые стержни 4 соединяют через смотровые люки 22 с передвижной насосной станцией 23, расположенной на береговой эспланаде 11, посредством высоконапорных шлангов 25, а передвижную компрессорную станцию 24 соединяют /также с использованием соединительных высоконапорных шлангов 25 с пневматической опалубкой 9.

Набегающий на напорный откос 6 намывного сооружения 1 волновой поток, содержащий наносообразующий грунтовый материал 2, аккумулирует его вокруг тороидальных наносоуловителей 5 треугольной призмы 8.

Далее в аккумулированном грунтовом материале 2 намывного сооружения 1 создают равномерный вакуум вокруг перфорированных полых стержней 4 посредством включения в работу насосной станции 23 с регулирующей задвижкой 26.

Работа насосной станции 23 заключается в откачке воды и воздуха из образованной дренажной системы с использованием водовоздушного и водоводяного эжекторов, входящих в состав насосной станции 23. При ограниченном поступлении воздуха к водоприемной части перфорированных полых стержней 4 в них развивается устойчивый вакуум.

Благодаря работе насосной станции 23 в вакуумном режиме, в теле намывного сооружения 1 образуется зона 14 неполного водонасыщения с определенным радиусом влияния на поверхности напорного откоса 6 выше и ниже уровня поверхности 12 водоема. При этом волновой поток, содержащий наносообразующий грунтовый материал 2, набегает на осушенный напорный откос 6 и впитывается в ранее намытый грунтовый материал 2, т.е. процесс аккумуляции значительно интенсифицируется вследствие притягивания частиц грунтового материала 2 направленным водным потоком /волновым потоком/ к поверхности напорного откоса 6.

Однако, по мере увеличения мощности намытого грунтового материала 2 на напорном откосе 6 эффективность действия такого механизма аккумуляции значительно ослабевает.

С целью поддерживания постоянно высокой интенсивности аккумуляции наносообразующего грунтового материала 2 предусмотрено постоянное перемещение волногасящих элементов 3 к поверхности напорного откоса 6 по мере роста намывного сооружения 1.

Для этого первоначально переключают передвижную насосную станцию 23 в напорный режим работы, подают напорный поток воды к перфорированным полым стержням 4 тороидальных наносоуловителей 5 и образуют зону полного водонасыщения в теле намывного сооружения 1.

Полное водонасыщение грунтового материала 2 обеспечивает ослабление сил сцепления и эффективного давления между частицами грунта, его разжижение и позволяет выполнить без значительных усилий последующее перемещение треугольной призмы 8 к поверхности напорного откоса 6 для активизации на нем на поверхности напорного откоса процессов гашения волнового потока и одновременно аккумуляции грунтового материала 2.

Затем включают передвижную компрессорную станцию 24, подают сжатый воздух через соединительные высоконапорные шланги 25 в пневматическую опалубку 9, создают избыточное давление внутри пневматической опалубки 9, надувают ее воздухом до проектных размеров и перемещают волногасящие элементы 3 к поверхности напорного откоса 6. При этом армирующая сетка 10 препятствует запроектному растяжению отдельных элементов пневматической опалубки 9 и обеспечивает ее прочность при длительных эксплуатационных нагрузках.

Подъем треугольной призмы 8 выполняют непосредственно под защитой /от активного волнового воздействия/ наклонных балок 19 Г-образной формы и плит 21 перекрытия до уровня намытой поверхности напорного откоса 6 при волнении поверхности 12 водоема до двух баллов.

Указанные выше операции по периодическому подъему треугольной призмы 8 на высоту "роста" поверхности напорного откоса 6 выполняют для постоянного поддерживания активных процессов волногашения и аккумуляции наносообразующего грунтового материала 2 на напорном откосе 6 /с постоянным поддерживанием эффективного вакуума в зоне 14 неполного водонасыщения для обезвоживания намываемого волновым потоком грунта и его последующей аккумуляции/.

Конструкция берегозащитного волногасителя предусматривает также своевременную утилизацию загрязненных вод, поступающих в состав волнового потока с наносообразующим грунтовым материалом 2 в тело намывного сооружения 1.

В этом случае загрязненная вода, поступающая к перфорированным полым стержням 4 /при работе передвижной насосной станции 23 в вакуумном режиме/, подается через соединительные высоконапорные шланги 25 в пневматическую опалубку 9. При этом пневматическую опалубку 9 накачивают дренажной водой, содержащей загрязняющие ингредиенты, до проектных размеров, а затем, по мере необходимости, откачивают эту воду в специальные емкости /на чертеже не показаны/, установленные на транспортном средстве 27 береговой эспланады 11, отводят и утилизируют за пределами берегового волногасителя.

При откачке загрязненной воды в специальные емкости необходимо также одновременно поддерживать треугольную призму 8 на установленном уровне. Для этого одновременно с откачкой воды подают вовнутрь пневматической опалубки 9 сжатый воздух от передвижной компрессорной станции 24.

Формула изобретения

1. Берегозащитный волногаситель, содержащий намывное сооружение с грунтовым материалом и волногасящие элементы, выполненные в виде горизонтальных перфорированных полых стержней и расположенные параллельно береговой черте ниже поверхности водоема, отличающийся тем, что волногасящие элементы снабжены тороидальными наносоуловителями грунтового материала и установлены в виде треугольной призмы на пневматической опалубке под перекрытием береговой эспланады выше и ниже поверхности водоема.

2. Способ возведения берегозащитного волногасителя, включающий установку волногасящих элементов в теле намывного сооружения, удаление воды из волногасящих элементов и образование зоны неполного водонасыщения, впитывание набегающего волнового потока в осушенный напорный откос намывного сооружения и аккумуляцию на нем наносообразующего грунтового материала, отличающийся тем, что устанавливают волногасящие элементы на пневматическую опалубку, а после аккумуляции наносообразующего грунтового материала на напорном откосе образуют зону полного водонасыщения в теле намывного сооружения, создают избыточное давление внутри пневматической опалубки и перемещают волногасящие элементы к поверхности напорного откоса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4