Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Морфологические и прочностные параметры торосистых образований Охотского моря

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Морфологические и прочностные параметры торосистых образований Охотского моря"

РГ5 ОД 1 б ДЕН 1396

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Бекецкий Сергей Петрович

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТОРОСИСТЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ОХОТСКОГО МОРЯ

11.00.ОН * океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург - 1У96

Работа выполнена в Сахалинском научно- исследовательском н проектно-изыскнтельском институте нефти и газа (СахалинНИПИморнефть)

Научный руководитель:

доктор географических наук ' . Ю. А. Горбунов

Официальные оппоненты:

доктор географических наук 3. М. Гудкович

кандидат технических наук В. А. Шматков

Ведущая организация - С-Петербургское отделение Государственной океанографического института.

Зашита состоится "5_"аем$РЯ '996 г. в 13 час. (22. мин. на заседанж специализированного совета Д.024.04.01 при ордена Леннна Арктическои и Антарктическом научно-исследовательском институте.

Адрес института: Санкт-Петербург, ул. Беринга, д. 38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ААНИИ.

Автореферат разослан ",$Й" октября 1996 г.

Ученый секретарь Специализированного совета,

кандидат геофафнческих наук -3// П. Карклнн.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С конца^ЗО-х годов в нашей стране происходит снижение как ежегодной добычи, так и прироста разведанных запасов нефти и газа. Для выхода из стожившейся ситуации необходимо вовлечение в разведку и последующее освоение новых нефтегазоносных провинций, сопоставимых с Западной Сибирью, как по обшим ресурсам, так и по наличию гигантских месторождений нефти и газа. Важнейшим объектом такого рота для России является ее континентальный шельф.

В результате 20-25 летнего цикла геологоразведочных работ ни нефть и газ, выполненных на шельфе геологической службой и топливно-энергетическими ведомствами, удалось установить, что пбший Нефтегазовый потенциал российского шельфа превышает 100 млрд.т. 85"» ресурсов принадлежит недрам арктических морей и 14% дальневосточных. Из этого следует, что почти полностью все ресурс!,! нефти и газа на шельфе России относятся к районам замерзающих морен. Вблизи месторождений отсутствуют, как правило, развитая береговая и практически полностью морская инфраструктуры.

Таким образом, освоение замерзающего шельфа России не имеет аналогов и представляет собой сложнейшую научно-техническую и инженерную проблему, решение которой потребует создания во многом уникальных для мировой практики комплексов технических средств, включая такие как:

-ледостойкие ПБУ, предназначенные для бурения поиск т<-разведочных скважин как на предельном мелководье, так и глубоководных районах;

-ледостойкие эксплуатационные платформы для длительной работы ;, ледовых условиях на перспективны* месторождениях:

-плавучие технические средства для строительства, зашиты, эксплуатации и ремонта подводных трубопроводов:

-плавсредства транспортной системы вывоза нефти, сжиженного газа конденсата (в том числе танкеры и газовозы усиленного ледового класса, ледоколы - хранилища, терминалы);

'•»специализированные суда обслуживающего флотз.

В настоящее нремм ведутся обширные теоретико-экспериментальные и натурные исследования, направленные в первую очередь на достоверно определение ледовых нагрузок на сооружения. регионально.

проектирование их корпусных конструкций, обеспечивающих надежность и безопасность эксплуатации.

Определение ледовых нагрузок, действующих на сооружения шельфа, является чрезвычайно важной проблемой. С одной стороны, совершенно недопустимо их занижение, что может привести к значительному материальному и экономическому ущербу, а с другой - их завышение, вызывающее удорожание сооружения и резко снижающее рентабельность разработки месторождения.

Наибольшие трудности при проектировании в условиях замерзающих морей представляет учет воздействия торосистых образований на гидротехнические сооружения. Обычно имеются лишь скудные сиедения по строению торосов. Если довольно часто значения высоты паруса и иногда нижняя отметка киля известны, то внутреннее строение и свойства тороса, определяющие нагрузку.являются terra incognito.

Цель работы - исследовать особенности морфологических и прочностных параметров торосистых образований на основании анализа и обобщения натурных данных и разработать рекомендации для проектирования технических средств освоения шельфа о.Сахалнн. Поставленная цель потребовала решения следующих задач: •исследовать закономерности формирования и строения торосистых образований на акватории месторождений шельфа о. Сахалина;

-определить пространственно-временную изменчивость прочностных параметров торосов; ■

-нд основании проведенных исследований разработать методику определения расчетных параметров торосов для проектирования нефтегазовых сооружений.

Решение поставленных-задач обеспечивалось: -наблюдениями за элементами-ледового {Режима Охотского моря; •натурнымн исследованиями строения торосистых образований; -лабораторными экспериментами по определению прочностных параметров льда;

•крупномасштабным моделированием торосов;

-анализом и статистической обработкой полученного массива натурных данных.

Научная новнзна работы состоит в качественно новом подходе к изучению торосистых образований и заключается в следующем: -дана классификация торосов по условиям формирования;

-разработана методика- исследования строения торосистых образований;

-разработана методика определения возраста торосов; -разработана методика определения прочностных параметров торосистых образований;

-получена зависимость прочностных параметров от внутреннего строения торосов;

-созданы модели торосистых образований различного типа для шельфа северного Сахалина;

•разработана' методика учета параметров торосом при проектировании средств освоения шельфа.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась использованием обширного натурного и экспериментального материала к применением совершенных методов математической обработки.

Практическая ценность работы заключается в повышении качестпа научного обеспечения проектирования гидротехнических сооружении в условиях замерзающих морей. Основные результаты работы внедрены в практику и были использованы при разработке технико-экономич;ских обоснований (ТЭО) по освоению нефтегазовых месторождений Одопту -море, Чайво - морс, Аркутуи - Дагинское. Пилыун - Асгохскее н газоконденсатное месторождение Лунскос. Результаты исследований могут использоваться для расчета нагрузок от торосистых образовании при проектировании технических средств освоения шельфа Охотского моря

Апробация работы. Основные результаты исследон.ньп докладывались и обсуждались на конференциях: СЗКНИИ AM СССР /Магадан. 1986/, ДВНИИ/Владивосток. 1987/, ДВПИ /Владивосток. 1988/, КЭТ "Арктикмориефтегаэразведка" /Мурманск. 1988/, Гляциологическом симпозиуме /Тбилиси. 1988/, на Всесоюзной конференции "Роль молодежи ■ решении конкретных научно-технических проблем нефтегазового комплекса страны" /пос.Красный курган, 1989/, на Международных конференциях: The Second International Offshore and Polar Enginering Conference /San Francisco, 1992/. The Eighth International Symposium o:i Okhotsk Sea & Sea Ice /Mombetsu. Japan,1993/, The 13-th International Conference on Port and Ocean Enginering under Arctic Condition /MUrmanbk. Russia. 1995/, The Il-th International Symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice /Mombetsu. Japan, 1996/, The Sixth International Offshore and Polar Enginering Conference /Los Angeles. USA. 1996/.

По теме диссертации опубликовано 14 научно-технических статей и тезисов докладов.

Авгор на защиту выносит;

1. Закономерности формирования торосистых образований шельфа северного Сахалина.

2. Особенности строения и прочностные параметры торосов.

3. Методику определения' расчетных параметров торосов, необходимых для проектирования технических средств освоения шельфа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 190 е., а том числе тексга - 154 е., рисунков - 30 е., таблиц • 6 с. Список использованных источников включает 112 наименований, из них 50 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи исследований. Перечислены основные результаты, имеющие характер новизны.

В первой главе рассматриваются проблемы освоения месторождений в условиях замерзающих морен, проблемы обеспечения эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений от ледового воздействия. Дается обзор отечественных и зарубежных работ по изучению торосистых образований и результаты этих исследований.

Анализ состояния работ по освоению нефтегазовых ресурсов замерзающих морен показал, что темпы разработки морских месторождений в значительной степени зависят от характера и уровня изученности ледовых условий. Повышенные требования к надежности нефтегазопромысловых сооружений обусловили необходимость проведения ледоисследовательских работ, включающих изучение закономерностей дрейфа льда, состояния и строения ледяного покрова, прочностных параметров морского льда. При исследовании строения ледяного покрова важное значение имеет изучение торосистых образований.

До конца пятидесятых годов нынешнего века исследования торосистых образований носили эпизодический характер и ограничивались описанием их форм и размеров. В дальнейшем для

иэучения влияния ледяного покрова на взаимодействие океана и атмосферы начали проводить исследования топографии верхней и нижней границ ледяных полей. По результатам лазерного профилирования с самолетов и сонарной съемки с подводных лодок были получены данные о размерах и распределении парусов и килей торосов. С начала 70 голов с увеличением нефтегазопромысловых работ в замерзающих морях начинается изучение торосистых образований как обьектов воздействия на гидротехнически? сооружения Методы исследовании: поверхностная схемка, подледные работы, гидролокация бокового оСмора. бурение, исследования кернов льда.

Данные изучения строения торосов используются в дальнем.нем 1ыч разработки моделей взаимодействия торосов с иефтсгазопромысливыми сооружениями. Существующие модели торосов чаше всего описывают внешние параметры ледяных образований, ничего не госоря о внутреннем строении. Это связано с малонзученностью внутреннего строения торогои. что п спою очередь является следствием трудмодосгупностн таких исходных данных. Изучение внутреннего строения является важным фактором, так как торосы по высоте неоднородны. Поэтому в последние годы в инженерной практике все больше используется трехслойная модель тороса, состоящая из верхней, средней или консолидированной и нижнем частей. При определении нагрузок па гидротехнические ссору.кеннл необходимо знать как внешние размеры тороса, так и распределение толщины и прочностные параметры каждого слоя. Для изучения стретч и прочностных параметров горосов сотрудникам» инстиг' ы "СахалннНИПИморнефть" а течение ряда лет проводились исследо'меш торосистых образований на сеперо-сахалинском шельфе, гдр открьны месторождения нефти и газа.

Во второй главе приведена общая характеристика ледового режима шельфа северного Сахалина. Детально рассмотрены такие элементы как дрейф льда, состояние и развитие ледяного покрова, физико-механические свойства морского льда. Показано, что динамичность района определяет условия формирования торосистых образований.

Осеннее ледообразование в района шельфа северного Сахалина начинается з конце октября - начале ноября и мелководных залип..х и лагунах. Ко второй декаде ноября вся внутренняя часть акватории залипок и лагун покрывается льдом. Распрссненные »оды заливов способствуют образованию и росту языков припайного льда о районах устьев заливоп.

которые распространяются в сторону моря на 1-3 км. Конец ноября • декабрь характеризуется интенсивным ледообразованием в северозападной части Охотского моря. Образовавшийся здесь лед под воздействием преобладающих в это время ветров западных и северозападных румбов выносится в район северо-восточного шельфа о.Сахалнна.

В конце декабря дрейфующий серо-белый и тонкий однолетний лед сплоченностью 8-10 баллов заполняет вершину Сахалинского залива и Северный залив, а в январе этот лед полосой выносится в район шельфа сеиеро-восточного побережья о.Сахалин и преобладающими северозападными ветрами относится от побережья на 40-50 км. В образовавшейся полынье в январе продолжается образование местного льда, представленного в начале ниласом и серым льдом, а позднее серо-белым и тонким однолетним льдом. В период прохождения над районом циклонов южное направление суммарного дрейфа льда меняется на северо-западное и западное, в результате чего весь массив смещается на запад к побережью с образованием зон сжатия, торосов и стамух. В феврале продолжается процесс заполнения льдом района шельфа, и к концу февраля от ы. Елизаветы до Луньского залива наблюдаются дрейфующие льды всех возрастных градаций до однолетнего среднего включительно сплоченностью 8-10 баллов. Толщина ровного льда термического происхождения достигает 1 м и более, торосистость составляет от 2 до 4 баллов.

В марте и начале апреля ледовая обстановка достигает наибольшей сложности. В период максимального развития ледяного покрова на акваториях нефтегазовых месторождений толщина ровного льда термического происхождения составляет 1.5-1.6 м, а торосистость может достигать 4-5 б. В это же время отмечается наибольшая вероятность непрерывного существования припая. В этот период припай характеризуется наличием вмерзших в него стамух, которые выполняют роль якорных устройств и способствуют его стаиионйрованию.

В первую и вторую декаду мая в отдельные годы ледовая обстановка может быть сопоставима с мартовской, несмотря на то, что повсеместно идет процесс разрушения и таяния льда.- Во второй половине мая обмечается уменьшение сплоченности до 4-5 баллов. В отдельные годы дрейфующие льды могут наблюдаться в июне и даже начале июля.

Исследования физико-механических свойств припая и дрейфующего льда на шельфе северного Сахалина проводились с 1983 по 1993 гг. Особенности пространственного распределения физико-механичесхих свойств льда изучались путем проведения полигонных сьемок по методике, предложенной Трусковым. При организации полигонов принималось во внимание, что при взаимодействии дрейфующего льда с сооружением, напряжения в ледяном покрове распространяются в радмусе, рзвном 2-3 диаметрам сооружения. Исходя из этого положения и учглывая, что наиболее оптимальными являются сооружения с диаметром опоры менее 30 м, выбирался полигон размерами 100 х 100 м и разбивался сеткой о шагом 20 м. В узлах этой сетки определялись физико-механические параметры льда (табл.1).

Таблица I

Среднемесячные значения тгмпературы (Г,), солености (5,) и прочности на одноосное сжатие (о"сж), припайного и дрейфующего льда

Параметр Декабрь Январь Фсо раль Мир г Апрель МаЛ

прип прип дрейф прип дрейф ПрИЛ дрейф прип дрейф дрейф

М, •с -7.8 -6.9 -10.1 -5.7 •11.3 -3.6 -3.4 -1.2 •1.8 -1.0

5л. %о 4.96 3.43 7.27 2.70 6.53 1.94 <1.42 1.22 3.63

МПа '1.29 1.36 0.68 1.41 1.44 1.63 !.72 0.96 0.96 0.52

Учитывая, что особенности дрейфа льда обуславливают преобладание (до 90% времени в течение ледового периода) скоростей его деформации при взаимодействии с морскими платформами в диапазоне 10-'- 10 1 с1, испытания образцов проводились при г=* и ■ 10"' с"1.

В третьей главе рассмотрены условия формирования и характеристики торосов и стамух шельфа северного Сахалина. Излагался методика проведения работ по изучению строения торосистых образований. Дастся методика определения возраста торосов. Призедсны результаты натурных исследований морфометрических параметров и внутреннего строеьня дрейфующих торосов и «памух. Полученные результаты показаны ь вьдс таблиц и расчетных моделей торосистых образований разного типа.

На шельфе северною Сахалина по условиям формирования автор предлагает выделить три типа образования торосов.

1. Образование торосистых гряд при воздействии дрейфующих ледяных полей на припай.

2. Формирования торосов в районах дренфоразделов севернее п-ва Шмидт.

3. Образование торссоп при взаимодействии двух дрейфующих ледяных полей.

Важное значение при исследовашш дрейфующих торосов и анализе его внутреннего строения имеет возраст торосистого образования. Для определени:: возраста тороса автором предложена методика, которая, основывается па разнице толщины роьного непаслоишого льда возле тороса н толщины блоков льда, слагающего торос. ¡Три лон предполагается, что торос дрейфует вместе с полем, из которого он сформировался.

Основным определяющим фактором расчета является сумма температур воздуха Г и за расчетный период. Для получения расчетной формулы зависимости тол шины льда от су г.! мы грздусодней мороза для рассматригаемого района были проведены специальные наблюдения за нарастанием льда. Аппроксимация полученных данных позволила получить зависимость толщины льда от суммы градусодней мороза, имеющую форму параболы:

Ас- 3-1(1 г, Г ( I )

Для изучения строения торосов и стамух выполнялись визуальное обследование, геодезические работы и термобурение.

Основными характеристиками, описывающими внешние параметры торосов^вляются высота паруса //,, осадка киля Нк, угол наклона боковых граней паруса 9, и киля ширина паруса Б3, ширина киля а также толщина ровного льда возле тороса. Важными характеристиками также являются размеры блоков льда, слагающих торосистые образования.

В процессе исследования проводились измерения блоков льда, слагающих парус торосистых образований. -Измерялись толщина (/)„), длина {/), ширина (Ь) и угол падения а обломков льда. Согласно этим данным среднее соотношение 1/11» = 3.1. Среднее отношение 1/Ь = 1.6.

Средннй угол падения а обломков льда получился равным 35 *, что близко к углу естественного откоса для нагромождений льда.

Автором был проведен анализ зависимости высоты паруса торосов Н, от толщины блоков льда Л„ для шельфа северного Сахалина. Эта зависимость описывается следующим уравнением:

(2)

Исследования морфологических параметров застамушснны* торосов в припае проводились в трех районах: Сахалинском заливе. ('еверном заливе и месторождении Одопту. Полученные автором данные о (.троении застамушенных торосов на северном Сахалине приведены в табл.2.

Таблица 2

Внутреннее строение торосов прибрежной зоны северного Сахалина

Район Одопту Сахалинский Северный Общие

залио залип данные

Параметр среди млкс среди макс среди макс срслн М.1ХС

Верхняя часть, м. 1.5 5.0 1.0 7.0 3.5 3 0 1.5 8 0

Консолидированная часть, м. 2.9 7.2 4.1 3.5 1.4 3.2 3.2 Я 5

Нижняя часть, м. 8.5 12.7 4.8 9.8 5.6 9.5 3 5 1: ?

толщтн Общая высот»торосов, и. 12.9 16.4 10.1 16.0 10.2 15.3 10 5 и, 1

Пористость верхней части, % 43 30 26 Л 1

Пористость нижней части, % 23 15 23 20

Пористость всего тороса. % 16 10 23 13

Соотношение между верхней, -

консолидированной и нижней 1/2/6 , 1/3.3/4 2.3/1/3.7 1/2/3.3

частями

Возраст торосов, мес. 1 3 0.5

Учитывая незначительную разницу в общей толщине исследуемых торосов для различных районов, отличные значения ' толщины консолидированной части в большей степени определяются возрастов торосов.

По результатам проведенных исследований торосистых образований и припае автором получена расчетная модель засгамушенного тороса для северо-сахшшнского шельфа Охотского моря (рис.1). Эта модель описывает как геометрические параметры, так н внутреннее строение стамух. Так как общая толщина стамух не зависит от изменения уровня моря, все остальные параметры выражены через нее.

Дрейф В ~

, .. л, тштегш Г V

— ISIS ..... л* н, VУ'

h,~0A6H, H,*0.2JH, б/ =» 23' B/L ■ 0.5

hc « 0.32 И, Нк = 0.77 Н,, О/» 329

ht. - U52 Н, В » 2.7И, &к' »0 / « 45*

Puc.l Расчетная модель здотямущ; фшго тороса Охотского мора

Для изучения строения торосов было исследовано 13 торосистых гряд на дрейфующих полях. Сделано 42 профиля термобурения, я среднем 3 • 4 профиля на каждой гряде. Всего было пробурено 816 скважин, общий объем бурения составил более 4.5 км. При анализе полученных профилгй торосистых гряд необходимо отметить, что они имеют очень сложно« строение. Идеально выделить профиль отдельного тороса довольно сложно Как правило, одна торосистая гряда переходит в следующую. При этом одному парусу может соответствовать два киля или наоборот одному

килю ' два паруса. Для построения расчетной модели торосистою образования треугольного сечения из всего объема полученных данных было выделено 10 профилей, имеющих один парус и один киль.

На рис.2 показана расчетная модель дрейфующего тороса треугольного сечения для Охотского моря, полученная по данным автора. Так как высота паруса Н, наиболее легко определяемая, все осгплмше размеры выражены через нес.

В,

я, =0.26 пк^0.29

1.15 Н, 0, ~ 14" 0 к=24"

Рис.2 Расчета* модель дрейфующего тороса Охотского моря

Нк а 3 Н, В, = 7 Н, Вк«19Н,

Данная модель имеет более пологий угол наклона паруса, в отличие от подобного типа по данным других авторов. Это обьясняется прежде всего возрастом исследуемых торосов. Приведенные ранее модели, как правило, описывают молодой, только образовавшийся торос. Изучаемые автором торосы, имели возраст более месяца. Необходимо также отмети п. большую толщину ровного льда возле торосов. Это объясняется тем, что рядом с торосистыми грядами всегда присутствует наслоенный пеа. Гакнм образом, здесь приведена толщина наслоенного льда от которого делался расчет угла наклона боковых граней паруса и киля.

При ширине паруса 20 - 25 м и ширине киля 60 м торосы, как правило, достигают споен максимальной высоты и осадки, начинается рост торосистой гряды в ширину. Профили таких гряд переходят от треугольной формы в форму трапеции,

Следует отметить, что тороситые образования с развитой шириной основания представляют наибольший интерес в дальнейших исследованиях, так как их силовое воздействие на морские нефтегазовые сооружения явля ется одним из расчетных случаев.

При анализе автором всех профилен изученных торосистых град было получено сечение в форме трапеции, как для надводной части, так и длй подводной. Интересно отметить тот факт, что ось паруга и ось киля, как-правило, не совпадают и сдвинуты относительно друг друга на 5 - 10 м. При этом необходимо отметить, что у одной и той же гряды сдвиг паруса относительно киля равновероятен в обе стороны. ,

Для определения максимальных размеров высоты паруса, осадки киля и общей толщины торосов, для всех трех характеристик были построены распределения Гумбеля.

Согласно этим распределениям максимальная высота тороса 1% обеспеченности равна Я,""" = 5.0 м, средняя -высота тороса 50% обеспеченности равна Н5 = 2.0 м. Максимальная осадка тороса 1% обеспеченности равна Ик',ки = 21.0 м, средняя осадка тороса 50% обеспеченности равна Н^ = 11.2 м... Максимальная обшая толщина тороса 1% обеспеченности равна //,""" = 24.0 м, средняя толщина 50% обеспеченности равна Я, = 12.6 м.

Для описания внутреннего строения дрейфующих торосов Охотского моря была принята трехслойная модель, состоящая из верхней, консолидированной и нижней частей. Чтобы получить распределение толщины каждой части и величину пористости верхней и нижней частей в статистику были включены данные по 100 скважинам. Для статистики выбирались те скважины, которые были пробурены в центральной части тороса с развитым парусом. Результат изучения внутреннего строения торосов для 10 ледяных полей показаны в табл.3. В результате проведенных исследований автором , получен расчетный профиль торосистой гряды Охотского моря (рис.3). Так как высота паруса Н, наиболее легко определяемая, все остальные размеры выражены через нее.

Таблица 3

Внутреннее строение дрейфующих торосов Охотского моря

Поле Толщина верхней части Пористость кершей части Толщина консолидированно» части Толщина нижней части Пористость нижней 'части Общая толщина тороса Пористость тороса Отношение верхней, консолидированное и нижней частей

Ь1 ср,м макс, М п4, V. Ьс ср, м Ьс паке, к! И к. ср , М Ьк иакс, м Пк, % Ь| ср, м иакс, м П1, % Ья/Ьс/Ьк

А 1 01 2.4 21.86 1.70 2 1 8.25 11 6 11.38 11 56 14 9 11.00 1/1 0.'5.0

В 2.79 3.6 18 65 2.63 46 8 03 13 1 12.13 13.49 186 9.88 1/1.0/3,0

С 1 71 3.3 16.29 2.01 4 3 6 51 13.3 27.09 10.12 186 18.49 1/1.2/3.8

О 1 18 24 35.63 1.19 2.5 6.28 12.7 32 67 8 65 16 27.80 1/1.0/5 5

ЕР 1 37 2.4 32.28 1.96 3.1 562 10.1 25 61 903 13.7 19.77 1/1.5/4 0

О 1 % 3 65 23.31 340 5.8 7 99 14.5 27.59 12.81 18.15 1990 1/1.7/4 0

И 1 58 2.75 16.26 1.45 2.15 6.18 11.25 30.72 8.82 16.15 23.70 1/1.0/4 0

) 1 71 3 95 25.76 2.12 4.3 9.30 1205 28 62 13.10 16.6 22 82 1/1.4/5.5

К 1 38 2 3 31.61 2.29 3.7 4.97 8 05 35 21 7.92 1065 26.55 1/1 6/3.6

N 1 Ы 3.2 22.38 244 3.7 8 12 12.2 26.38 12.12 16 3 20 04 1/1.4/4 8

вреднее 1 70 395 24.40 2 12 5 80 7.12 14 50 25.74 10 76 18 60 20.00 1/1.25/4.5

в_.__

Нк = 5.25 Н, Ьк -4.5 Н, Н, = 1.2511, 0, = п, =0.24

Ь, я 1.7 Н, Вк = 23 Н, Л* = 4.5 Л, пк*0 26

В, -9 Н, &В>=ЗН,

Рис.3 Расчетный профиль дрейфующей торосистой гряды Охотского

моря

Четвертая глава посвящена прочностным параметрам торосистых образований и практическому применению результатов проведенных исследований. В ней описываются исследования пространственно-временной изменчивости физико-механических свойств торосов по данным полевых работ, крупномасштабного моделирования н лабораторных экспериментов. Дается методика определения прочностных параметров торосов. Рассматривается зависимость прочностных параметров от внутреннего строения торосов.

Для определения нагрузок, вызванных воздействием этих ледовых образований необходимо знание прочностных параметров, в частности интегральной прочности торосистых обраюплннй.

Сложность получения таких данных заключается прежде всего в крупномасштабности изучаемых объектов. Определение прочностных параметров стандартным способом, по испытанию вы<пройных образцов, не дает достоверных данных о прочности всего тороса

Способ определения прочное i и модельных торосов, образованных по крикриям подобии И! обломков льда, также имеет недостаток, заключающийся в сложности досюверною моделирования генезиса тороса, а но существенно влияет на рсчулыаты зкелернмешов. В данном разделе авырон предши аегся меюд определения прочностных параметров торосов на основании изучения стамух

В период проведения паленых ледонсследова гельских работ в 1985-199<) г.г. при тученин стамух о|мечадись расколовшиеся стамухи, отличающиеся тем, что прнливно-опшвные i ретины проходили через них. Многолетне наблюдения за формированием стамух, а также характер ледовой обстановки вокруг них, потопили определиil, что наиболее вероятной причиной раскола лих ледовых образований является увеличение высот паруса за счет huí ромояшення обломков дрейфующего льда. Существование такою явления но толкло при помоиш методов теории сопротивления материалов оценить ишегральиую характеристику прочности тороси в ею естественном состоянии.

Для расчета нагрузки Р, под действием которой происходит раскол

стамухи, необходимо определить приращение массы надводной части

ледового образования. Эю можно сделать двумя способами. В первом

случае по динным исследований торос находится в состоянии равновесия

' оспа-кг.г

при соотношении высоты паруса к ьънам* киля Н./ Н, = 1/5. Из этого

соотношения определяется равновесная высота паруса Н, для -высогы-

киля //j""" стамухи при минимальном уровне моря.

Разность между высоюй паруса, замеренной инструментально //, н равновесной Н,""" будет определять величину нагрузки Р.

Во втором варианте - вычисляется действительна« толщина наброски по поверхности ледового образования. Приращение объема надводной , части определяется. путем сравнения формы, принятой по полученной выше расчетной модели дрейфующего тороса, и ревдыюй, полученной по результатам топографической съемки.

Для расчета нагрузки строится карте нзопахнт (линий равной толщины приращения льда за счет нагромождений при воздействии дедяных полей) отколовшейся части. При вычислении общего < изгибающего момента М, исследуемая часть стамухи разбивается на участки с примерно равной толщиной и определяются изгибающие моменты каждого из них, которые затем суммируются.

В таблице 4 приведены результаты расчета значений предела прочности стамух.

Таблица 4

Результаты расчета пределов прочности стамух на растяжение и срез

I способ 2 способ с учетом в примерзше по к оздействня го ледяного рова

а. МПа т, МПа о. МПа т. МПа с, МПа т, МПа

Стамуха 1 0.070 0.072 0.020 0.020 0.052 0.039 0.012 0.010 0.110 0.099 0.028 . 0.026

Стамуха 11 0.065 0.020 0.029 0.011 0.104 0.027

I

Испытание образцов льда, взятых с тороса, смоделированного на припае в з.Чайво, показало, что в случае полного заполнения пустот между блоками конжсляиионным льдом, прочность тороса на одноосное сжатие о, практически соизмерима с прочностью ровного льда ст(. Исходя из этого, прочность консолидированного слоя льда в торосе можно принять равной прочности льда термичесхого происхождения. Прочностные параметры верхней и нижней частей тороса в большей степени зависят от показателя пористости.

Чтобы получить зависимость прочности льда ог пористости были проведены испытания на одноосное сжатие кубических фрагментов моделей торосов. При анализе размерностей для получения критериев подобия было получено, что при изготовлении моделей торосоо соотношение сторон обломков льда должно быть таким, как в натуральном торосе. Это обеспечивает получение пористости и прочностных параметров для модели, как для натурального тороса. Для Охотского моря, как было показано выше наиболее вероятно следующее соотношение сторон обломков льда, слагающих торосы: I: Ь : И ~ 3:2: I. где / - длина. Ь - ширина, Л - толщина.

Методика изготовления моделей торосов заключалась в следующем. Из морского льда выпиливались прямоугольные фрагменты длиной 9 см. ширимой 6 см и толщиной 3 см. Данные размеры были выбраны в связи с ограниченными размерами опорных плит пресса. Обломки льда загружались в металлическую форму с размерами 24 см < 24 см • 31 см и форма заливалась морской водой. Некоторое время форма выдерживалась

ка морозе и затем вода слипалась. По обьему залитой и слитой волы с учетом объема формы и объема заснеженного льда определялась пористость (п,). За время выдержки, из-за низкой температуры обломков льда на них успевал образовы паться конжелшнпнный лед. Для определения первоначальной величины пористости модели тороса (н0), кода сливалась без выдержки. Для относительного сравнения прочности была изготовлена модель с полной заливкой водой и последующим замораживанием, что моделировало консолидированную часть тороса на уровне воды. В этой модели величина пористости равна нулю. После изготовления все модели выдерживались на морозе, для того, чтобы их температуры приняли одинаковое значение.

Результаты испытаний моделей представлены п табл.5.

Таблица 5

Результаты испытаний

Параметр Номер образца

1 2 3 4 5

Первоначальная пористость л,, % 46 45 44 46 47

Пористость модели, п, 33 27 18 16 0

Предел прочности а, МПа 0.249 0.413 0.641 0.676 1.7

Относительный предел прочности ст,/ст, 0.146 0.243 0.243 0.4 1

В результате анализа многолетних наблюдений и проведенных автором исследований получены морфологические и прочностные параметры торосистого образования, а также взаимосвязь их между собой.

Одним из важных итогов данной работы является разработка методики определения максимальных расчетных параметров торосов необходимых для проектирования средств освоения шельфа о.Сахалин. Разработанная автором методика заключается в следующем: I. На основании суммы градусодней мороза исследуемого региона определяется максимальная толщина ровного нснаслоенного льаа по формуле ( I ).

2. Для расчетной максимальной толщины льда определяется максимальная высота паруса по зависимости ( 2 ), полученной автором для данного региона.

3. По высоте паруса определяются все геометрические параметры тороса: ширина паруса, осадка и ширина киля, а также общая толщина тороса (см. рис. 3).

4. Исходными данными для определения внутреннего строения и прочностных параметров являются общая толщина тороса и его возраст.

5. По обшей толщине тороса определяется толщина консолидированней части и общая пористость тороса в зависимости от возраста (см. табл.1).

6. По величине пористости определяется интегральная прочность тороса на сжатие (см. табл.5).

Для использования проектировщиками предложенной методики автором разработаны две номограммы. Первая - для определения морфометрических параметров (рис.4), вторая - для определения параметров внутреннего строения и интегральной прочности (рис. 5).

Данная методика может быть использована в районах Охотского моря, где торосы малонзучены в каждом конкретном случае для проектирования средств освоения шельфа.

В усаопияг. шельфа северного Сахалина необходимо рассматривать два случая взаимодействия торосов и гидротехнических сооружений.

1. Воздействие тороса, образовавшего из стамухи. В этом случае при развитой консолидированной части и небольшой пористости его можно рассматривать как однородное тело. Для определения максимальной нагрузки от такого тороса нам необходимо знать размеры торосистою образования и его интегральную прочность

2. Воздействие тороса, имеющего трехслойное строение. В этом случае нам необходимо знать как внешние размеры тороса, так и распределение толщины и прочностные параметры каждого слоя.

В заключении излагаются основные результаты и выводы работы. На основании выполненных исследований получены следующие результаты, имеющие характер новизны и представляющие практическую ценность при решении задач, связанных с учетом торосистых образований при проектировании гидротехнических сооружений.

I. По сложности ледовых условий и динамичности ледяного покрова шельф северно, о Сахалина не имеет аналогов среди замерзающих морей с

0 10 20 30 40 SO 60 bj.m

Hi.M

Рис. 4 HoMOipuMMa определения внешних параметров торосов

Рис. 5 Номограмма определения прочности и пнутреннсго строения

торосов

промышленной эксплуатацией морских нефтегазовых месторождений. В марте - апреле в рассматриваемый районе наблюдается наиболее сложная ледовая обстановка, размеры торосистых образований достигают максимума. Поэтому этот период следует рассматривать в качестве расчетного при определении параметров торосов для проектирования гидротехнических сооружений.

2. Выявлены закономерности условйй формирования торосов, выделены три типа их образования. Установлено, что наиболее мощные торосы образуются в постоянной зоне дрейфораэделов и толщина их по вертикали может достигать 35 м.

Максимальная замеренная толщина стамухи, образованной из такого типа торосов составила 40 м.

3. Разработана методика проведения натурных исследований но изучению строения торосов, а также методика определения возраста торосов. На основании проведенных исследований получена трехслойная модель торосистых образований. Установлены характеристики каждой части тороса. Среднее соотношение верхней, консолидированной и нижней частей для торосов дрейфующего льда составляет 1/1.25/4.5, для стамух -1/2/3.5. Толщина консолидированной части зависит от возраста. Максимальная толщина консолидированной части 1% обеспеченности: для торосов возрастом I мес. раина 5.5 м, для стамух возрааом 3 мес. равна 8.5 м.

Средняя пористость верхней части дрейфующих торосов составляет 24%. нижней части - 26%, общая пористость торосов получилась равной 20%. Пористость верхней части стамух составляет 31" о, нижней части -20%, общая пористость стамух равна 13%. (

4. Созданы расчетные модели торосистых образований различного типа. Экстремальными расчетными случаями при определении ледовой нагрузки следует принять: воздействие торосистой гряды максимального размера с сечением паруса и киля в форме трапеции, либо вшдейсгоие тороса с развитой консолидированной частью.

5. Распределение температуры льда в торосах для марта аналогично распределению температуры ровного льда первой половины зимы. Диапазон изменения солености льда торосов в этот же период составляет от 2?«> до 6%«, что соответствует морскому льду месячного возраоа для Охотского моря.

-Zk-

6. Прочность льда на одноосное сжатие, слагающего торосы сравнима с прочностью ровного льда и составила для верхней части 1.89 МПа, для консолидированной части 1.65 МПа, для нижней части - 1.35 МПа. Интегральная прочность на одноосное сжатие для всего торосистого образования составила 0.8 МПа, для верхней части - 0.34 МПа, для нижней -0.3 МПа.

7. В результате проведения натурного моделирования и лабораторных экспериментов получена зависимость интегральной прочности от пористости торосистых образований.

8. На основании выполненных исследований разработана методика определения максимальных расчетных параметров торосов, необходимых для проектирования технических средств освоения шельфа о.Сахалин.

СПИСОК РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Определение расчетных параметров ледяного покрова, необходимых при проектировании гидротехнических сооружения. Тезисы докладов -8 открытой конференции молодых ученых и специалистов СВКНИИ ДВНЦ АН СССР, Магадан, 1987, с. 56 (соавторы: Трусков П.А.).

2. Методика исследования нарушений морского дна торосистыми льдами. Краткие 1езисы докладов 5 конференции молодых ученых ДВНИИ Поскомпщромега "Проблемы гидрометеорологии и охраны окружающей ерелы Сибири. Дальнего Востока и Тихого океана", Владивосток, 1987. с.44 (соавторы: Трусков П.А.).

3. Проблемы выбора нормативных показателей воздействия ледяного покрова на гидротехнические сооружения. Тезисы докладов 8 научно-практической конференции молодых ученых, специалистов, рабочих-новаторов производства, Оха. 1988, с. 50 (соавторы: Трусков П.А.).

4. Изменчивость физико-механнческих сьойств дрейфующих льдов. Тезисы докладов XXX юбилейной научно-техничсской конференции, посвященной 70-лстию ДБПИ. Владивосток, 1988, с. 171-172 (соавторы: Трусков П А., Поломошнов A.M.).

5. Результаты исследования воздействия дрейфующих торосов на морское лно на шельфе о. Сахалин. Тезисы докладов 1 Мурманской

областной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов по проблемам освоения шельфа, Мурманск, 1988, с. 18 (соавторы: Трусков П.А.).

6. Изменчивость физико-механических свойств дрейфующих и припайных льдов. Труды ДВНИГМИ, Владивосток, вып.40, 1990, с. 84-91 (соавторы: Трусков П.А., Поломошнов A.M.).

7. О морфологических характеристиках стамух. Труды ААНИИ, Ленинград, т.418, 1990, с. 116-128 (соавторы: Бородачев В.Е., Трусков П.А., Поломошнов A.M.).

8. Особенности суммарного дрейфа сплоченных льдов в прибрежной зоне моря. Материалы гляциологических исследований , Москва, оып. 68, 1990, с. 110-114 (Трусков П.А., Абраменко С.Е.).

9. Учет воздействия дрейфующих торосистых образований на морское дно при проектировании подводных трубопроводов. Труды ААНИИ, Ленинград, т.421, 1991, с. 85-92 18 (соавторы: Трусков Г1.А.).

10. Strength Parameters of Hummocks. The Proceedings of the Second International Offshor and Polar Engineering Conference, San Francisco, USA, vol. II, 1992, p.783-789 (соавторы: Трусков П.А., Сурков Г.А., Поломошнов A.M., Беккер А.Т.).

11. Strength Parameters of Hummocks: Field Observations and Laboratory Tests. The Eighth International Symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice, Mombetsu, Hokkaido, Japan, 1993, p.82-95 (соавторы: Трусков П.A., Сурков Г.A.).

12. Internal Structure of Ice Pressure Ridges in the Sea of Okhotsk. 13th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition, Murmansk, Russia, vol. I, 1995. p. 109-111 (соавторы: Трусков П.А.).

13. Structure of Grounded Hummocks in the Sea of Okhotsk. The 11-th International Symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice, Mombetsu, Japan, 1996, p.339-342 (соавторы: Астафьев В.H., Трусков П.А.).

14. Structure of Hummocks Offshor of Northern Sakhalin. The Proceedings of the Sixthd International OITshor and Polar Engineering Conference, Los Angeles. USA, vol.11, p.398-400 (соавторы: Астафьев B.H., Трусков П.A.).

РотлААНИИ.3««. 101 -80 3t.io.ee Уи