Морские каналы и судоходная обстановка

Водными путями называют водные пространства и водотоки, которые используются для перевозки грузов и пассажиров. Водными пространствами являются океаны, моря, озера, образуемые речными гидроузлами водохранилища и подпертые бьефы, а водотоками – реки и их притоки и каналы.

Водные пути принято подразделять на внешние и внутренние.

Внешние водные пути – моря и океаны, ввиду больших глубин, используются для судоходства в основном в естественном состоянии. Лишь на подходах к морским портам (транспортным узлам), расположенным на мелководных участках или в устьях рек, где глубины недостаточны для прохода судов с большой осадкой, в состав внешних водных путей входят искусственные участки – подходные морские каналы. К искусственным внешним водным путям относят иногда соединительные каналы между морями и океанами. Но поскольку такие каналы прокладывают по суше через водоразделы, то с большим основанием их можно отнести к внутренним водным путям, хотя по ним ходят морские суда большой грузоподъемности.

Судоходные каналы оборудуются средствами навигационного оборудования (СНО) для обеспечения безопасного плавания судов.

В качестве примера подходного морского канала можно назвать Калининградский канал (42 км) проходящий от судоходных глубин (Балтийск) по мелководному Висленскому (Калининградскому) заливу до устья реки Преголя. Также канал СП-б. Порта (от Кронштадта до порта 27 км) проходит по Финскому заливу.

Соединительные каналы: Суэцкий, соединяющий Средиземное море и Суэцкий залив Красного моря длиной 174 км; Панамский соединяет Атлантический и Тихий океаны (82 км); Кильский соединяет Северные и Балтийские моря (99 км).

Классификация морских каналов.

По назначению – подходные, соединительные.

По профилю прорези каналы - полного профиля, когда боковые откосы выходят на уровень воды или выше его, неполного профиля, когда они прорыты в отмелях, отгораживающих устья рек от моря (баровая канала), откосы скрыты под водой и мелководье когда используются естественные глубины.

По наличию ограждений – огражденные с обеих сторон (близкий к порту участок С-Пб. – канала в дамбах); одностороннее – обычно возводимое в наиболее подверженной воздействиями волнения и течений стороны канала (Калининградский).

Большинство проходных каналов – неогражденные и подвержены интенсивной заносимости, что требует систематического дноуглубления.

По регулируемости уровня воды каналы делятся на шлюзованные (закрытые), отделенные от моря шлюзами, и в которых можно регулировать уровень воды и глубину канала (Панамский, Кильский, Беломоро-Балтийский Канал), и открытые, к которым относятся большинство подходных каналов, то есть непосредственно сообщающиеся с морем.

Закрытые каналы меньше подвержены внешним воздействиям, но на этих каналах могут наблюдаться воздействия от судовых волн, струй воды от движителей. Если в закрытом канале имеются внутренние шлюзы, они делят канал на отдельные бьефы. Внутренние шлюзы устраивают для уменьшения глубины выемок при прокладке канала через возвышенности, а также для продления перепада уровней воды в соединяемых каналом бассейнах. Если периоды незначительны, то и соединительные каналы прокладывают без шлюзов.

Эксплуатационными характеристиками канала являются: - порядок (режим) пропуска судов (одно– двухстороннее), скорость хода, время прохождения судов по каналу, длительность периода навигации, пропускная способность канала, судооборот, удобство прохода судов по каналу (заносимость, огражденность).

Кроме того, каналы могут различаться по грузообороту, размерам поперечного сечения (максимально допустимой осадке пропускных судов, высотам надводных пересечений, т.е. максимально допустимой высоте надводного габарита судов, характеру грунтов, составляющих его ложе (глинистое, песчаное, илистое, каменистое и т.д.)).

Исходные данные при проектировании канала.

Исходные данные включают в себя: сведения о размерах исходного судна; сведения о планируемом судопотоке; характеристика естественных условий района прокладки трассы канала; величины ущерба водным, биологическим ресурсам и рыбным запасам от строительства и эксплуатации канала.

В качестве расчетного принимают конкретные (с максимальными размерениями) расчетное судно или условное судно. Сведения о нем должны включать (М – массовое водоизмещение, т; d – осадка на ровный киль без хода, м; В – ширина на миделе, м; L – длина между перпендикулярами, м; A=Aq/Ac – отношение площадей парусности надводного и подводного бортов).

В случае «условного» судна основная характеристика – осадка, а остальные элементы определяются в зависимости от типа судна по формулам:

, т; ,т; ,м; , м². (13.1)

где t и с – коэффициенты для различных типов судов;

D – высота борта, м.

Например, для универсальных судов: t =3,3, с =17,5; для танкеров: t =2,6, с =17,5; для контейнеров t =3,2, с =17,8; для лесовозов t =2,4, с =17,5; для сухогрузов t =2,7, с =17,2; для пассажирских t=4,0, с =20,1.

Сведения о планируемом судопотоке: количество судопроходов в год и среднесуточный судопоток в местах наибольшего судооборота, состав судопотока по типам судов, их размерениям и количеству.

Характеристика естественных условий - планы акваторий трассируемого канала и прилегающей территории; метографические разрезы по намеченным вариантам трасс канала и характеристикам грунтов; элементы метеорологического режима не менее чем за 12 лет (повторяемость ветров по скорости, направлению и продолжительности); сведения о характере течений (направление и скорость); функции высот волнения 3% обеспеченности по 8-им румбам; график обеспеченности ежесуточных уровней воды; среднегодовую метеорологическую дальность видимости и преобладающей для данного района коэффициент прозрачности атмосферы и повторяемостью не менее 65%; продолжительность ледового периода; сведения о динамике берега и интенсивности движения наносов.

Оценка ущерба водным, биологическим ресурсам и рыбным запасам: характеристика загрязненности извлекаемых грунтов по химическим и биологическим показателям; состояние среды кормовой базы и ихтиофауны в районе акватории прокладки канала; оценка негативного влияния дноуглубления на окружающую среду.

Трасса канала.

Трасса канала – это расположение оси канала в плане. Трасса канала и его размеры должны удовлетворять ряду требований, часто противоречивых.

Навигационные требования. – максимальное удобство и безопасность плавания судов по каналу. Из этих соображений трасса должна быть прямолинейной и близкой к направлению господствующих по частоте ветров, волнения, течений. Если по местным условиям полной прямолинейности добиться невозможно, необходимо ограждать канал защитными сооружениями, количество и углы поворота должны быть минимальны, радиусы закруглений большими (≥5 L_p.c), как правило, не менее 3000 м. На участках примыкания канала к воротам порта канал трассируют без поворотов на расстоянии не менее длины тормозного пути расчетного судна к максимально приближающимся к направлению оси входных ворот.

Экономические требования сводятся к минимальным капитальным затратам на прокладку канала (капитальные дноуглубительные работы) и эксплуатационным расходам (ремонтное содержание для поддержания судоходных глубин). с этой целью трассу выбирают с возможно минимальными объемами выемки и относительно легкими в разработке грунтами, однако достаточно устойчивыми на откосах. Трассу внутренних каналов назначают с учетом наибольшего использования естественных водоемов (озер, лиманов и т.п.), что снижает объем земляных работ и снижает затраты по защите берегов от судовых волн.

Компоновочные требования направлены на обеспечение возможности наилучшей компоновки оградительных сооружений и акватории порта с учетом дальнейшего развития транспортного узла. Экономически выгодно прокладывать трассу по наибольшим глубинам.

Основные элементы и характеристики каналов.

Критерий определения размеров морского канала: навигационная безопасность движения судов.

Прорезь – искусственным образом проложенная в грунте выемка для пропуска расчетного (максимально с водоизмещением) судна, ограниченная дном и откосами (бровками).

Проектная глубина канала (Н_п) – разница между отметками отсчетного уровня воды и проектного дна канала. Также как и для глубины акватории порта, глубина канала навигационная – (Н_н = (d + бd) + ΣΖ_{0-3, м) минимально необходимая и достаточная для безопасного прохода расчетного судна;}

Глубина проектная – (Н_п = Н_н + Z₄, м) – учитывает запас на заносимость при эксплуатации канала. Наносы осаждаются в прорезь канала в судоходном состоянии.

Поперечное сечение канала должно удовлетворять ряду требований: навигационных – удобство и безопасность судоходства; экономических – минимум площади сечения и объемов извлекаемого грунта. Эти требования взаимно противоречивы, поэтому задача выбора поперечного сечения по всей трассе относится к задачам оптимального проектирования (по минимуму суммарных затрат). Поперечное сечение канала проектируется, исходя из габаритов расчетного судна.

Обычно проектируют каналы с трапецеидальным поперечным сечением. Площадь подводного сечения канала полного профиля должна быть не менее чем в 4 раза больше подводного миделевого сечения расчетного судна при одностороннем движении по каналу.

Трапецеидальность поперечного сечения канала характеризуется заложением откосов:

для плотных глинистых и суглинистых грунтов m=1-4:

для песчаных m=3-9, илистых m=10-30.

Глубина канала навигационная и проектная, как уже говорилось выше, определяется аналогично глубинам на портовой акватории, по величине осадки расчетного судна и суммы запасов. Есть некоторое отличие в определении запасов на волнение z₂, скоростного запаса z₃ и запаса на крен z₀.

Волновой запас определяется по графикам при различных углах φ между осью судового хода и направлением господствующего волнения в зависимости от числа Фруда , высота волны в % обеспеченности, длины расчетного судна L, м (V₁ - скорость расчетного судна в улах, h – высота волны).

Скоростной запас z₃ определяется методом последовательных приближений в зависимости от F_r, осадки судна d и ΣZ_1-3 с направлениями от отношения А = А_q/А_с для каналов полного и неполного профиля.

Все запасы глубины в канале определяются с точностью до 1 см, после суммирования их с осадкой судна полученная глубина округляется до 5 см.

Запас на крен Z₀ определяется по формулам:

и , (13.2)

где θ – угол крена от ветра;

θ_дин – динамический угол крена по первой ф-ле расчет ведется для прямых участков, по второй – для участков сопряжения колен канала (мест поворота судна). Угол θ выбирается в зависимости от скорости расчетов ветра w (м/с) и типа судна. Для универсальных судов, лихтеровозов, паромов при w = 9 – 22 м/с, θ = 0 – 2⁰, для контейнеровозов 1 – 5⁰, для пассажирских 1 – 8⁰, для лесовозов – 5⁰. Угол θ _дин выбирается в зависимости от скорости судна и его типа. Для универсальных, лесовозов, контейнеров в диапазоне скоростей судна 4-12 узлов, θ _дин=1-7⁰.

Поперечный профиль канала

Вп

Ширина канала.

Проектная ширина канала В_п для одностороннего движения судов определяется по формуле:

В_п = В_н+Δb, м, (13.3)

где В_н – навигационная ширина канала, м;

Δb – запас ширины на заносимость откосов, м;

Δb=h_н (ctgφ₁- ctgφ), м, (13.4)

где h_н – навигационная глубина прорези канала, м;

φ₁, φ – углы наклона откосов к горизонту (φ₁ – к концу межремонтного периода; φ – проектная величина).

Навигационная ширина: В_н (на уровне Н_н)

В_н=В_м+2С, м, (13.5)

где В_м – ширина маневровой полосы, м;

С=0,5В_р._с. – навигационный запас ширины канала учитывающей гидродинамическое воздействие судна с бровкой канала, м.

Ширина маневровой полосы определяется по формуле:

, м, (13.6)

где В_р.с.– ширина расчетного судна, м;

В_о– относительная ширина маневровой полосы, определяемая в зависимости от курсового угла ветра q_n относительно оси канала и проекции вектора скорости течения υ_а на нормаль к оси канала.

k_υ – коэффициент в зависимости от скорости судна (υ);

k_w – коэффициент в зависимости от скорости ветра (w);

k_а – коэффициент в зависимости от отношения Аq/Аl;

k_vd – коэффициент.

Продольный профиль канала.

Дно открытого не огражденного канала на всем его протяжении делается горизонтальным. То же и при незначительном уклоне водной поверхности (≤0,001%). При более значительном уклоне свободной поверхности (речные участки) дну канала придают соответствующий уклон. Навигационная глубина может изменяться по длине канала, если изменились внешние условия (переход с не огражденного к огражденному участку заметно изменяется волновая характеристика, т.е. уменьшается высота волны, что влечет уменьшение волнового запаса и т.п.).

Транспортно – экономические характеристики судоходных каналов.

ТЭХ является показателем безопасности и удобства движения по ним судов и затрат на поддержание навигационных потерь. Движение судов определяет порядок, время и скорость прохождения по каналу, пропускную способность канала, характер судопотока.

Ограниченность ширины канала заставляет по требованиям навигационной безопасности делить фарватеры каналов на две категории.

К первой категории относятся фарватеры, у которых ширина полосы движения меньше 1,5L_р.с., а также фарватеры каналов, по которым плавают суда со взрывоопасными грузами. Все другие фарватеры относят ко второй категории.

На фарватерах первой категории может быть приостановлено движение судов из–за внезапного перекрытия фарватера по причине остановки одного из впереди идущих судов. Обгон такого судна из–за стесненности невозможен. А на фарватерах второй категории такой обгон возможен.

Расчетная скорость судна – является одним из параметров при определении габаритов проектируемого канала. Она назначается в пределах от 3 до 12 узлов, но не более V_кр – критической скорости судна. Нижний предел скорости определяется условием сохранения управляемости. Критической скоростью V_кр считается скорость, начиная с которой дальнейшее увеличение числа оборотов машин практически не приводит к увеличению скорости движения судна. При этом V_кр для канала неполного профиля для расчетного судна определяется по формуле:

, м/с, (13.7)

где h_н – навигационная глубина прорези, м;

Н_н - навигационная глубина канала, м;

V^/_кр – критическая скорость на мелководье, м/с;

V^//_кр - критическая скорость на канале полного профиля, м/с.

Например, (для Калининградского канала) при ширине В_п=50 м, угле наклона откоса к горизонту φ=14⁰ и навигационной глубине Н_н=10 м: V^//_кр=3,9 м/с, V^/_кр=7,3 м/с. тогда при h_н=5 м, V_кр=5,6 м/с (11 узлов).

Судопоток на канале – параметр, зависящий от внутренних и внешних факторов. К внутренним относятся размерения судов, их маневровые качества, скорость движения, а также профессиональные и психологические качества судоводителей, действующие правила совместного плавания, техническое обеспечение. К внешним относятся гидро–метеорологические условия, навигационные ситуации, наличие и полнота судоходной обстановки, правила плавания по каналу.

Возникший судопоток обладает следующими взаимосвязанными параметрами: интенсивностью ω, c^-1, плотностью ρ, м^-2, напряженностью μ, м^-1 с^-1.

Интенсивность – это количество судов проходящих через фиксированный створ канала за определенный промежуток времени. Различают общую интенсивность движения и интенсивность определенного судопотока (определенного направления). При средней скорости движения судов Ū м/с и средней скорости движения судов между проходящими судами, выраженном через расстояние между их одноименными точками интенсивность судопотока по N полосами движения:

и ; (13.8)

Плотность потока – отношение количества судов и используемой ими площади акватории или ее части, приходящейся на одно судно

; (13.9)

Движение потока судов с определенной скоростью и плотностью характеризует его напряженность. Чем уже водный путь и интенсивнее движение судов, тем сложнее и напряженнее навигационная ситуация. Наибольшая напряженность судопотока соответствует максимально допустимой плотности движения [м ^–1 · с ^-2].

Интенсивность наиболее высока вблизи входа в порт (суда портфлота, вспомогательные и т.д), кроме транспортных судов.

С судопотоком тесно связана пропускная способность канала.

Пропускная способность канала определяет необходимость строительства канала для двухстороннего или одностороннего движения. Проектируемый канал должен обеспечивать пропуск планируемого судопотока в течение всего навигационного периода.

Для подходных каналов пропускная способность порта, обслуживаемого этим каналом. Для определения пропускной способности необходимо предварительно рассмотреть:

а) параметры f₁ и f₂, характеризующие распределение судов в расчетном судопотоке по группам, в зависимости от их ширины расчетного судна В_р.с. f₁=m₁/m; f₂=m₂/m, где m₁ и m₂ число судопроходов в месяц с наибольшим судооборотом судов первой группы (В₁ < 0,4 В_р.с.) и второй группы (0,4 В_р.с. ≤ В₂ < 0,78 В_р.с.); m – общее число судопроходов в тот же период;

б) среднесуточный судооборот канала m_с в обоих направлениях: m_c=m/30;

в) среднее время занятости канала при проходе одного судна f_к (час.), отсчитываемое от момента входа судна в канал, до момента выдачи разрешения на вход следующему судну при равновероятном проходе судов обоих направлений. Это значение f_к учитывает время, необходимое доя подготовки судна к входу (выходу) на трассу канала, доступной скорости движения, безопасной кильватерной дистанции в канале и другим параметрам;

г) вспомогательная величина Р, определяется графически в зависимости от величин f₁ и f₂;

д) коэффициент q, определяемый графически в зависимости от величины Р и произведения m_с · t_к;

е) приведенный среднесуточный судооборот m^/_с для одностороннего движения, уменьшенный с учетом частичного встречного движения судов

m^/_с = q · m_с ; (13.10)

Расчет пропускной способности и назначение ширины канала для одностороннего и двухстороннего движения судов выполняется графически.

Заносимость морских каналов зависит от местных гидрометеорологических и геологоморфологических условий, а также направления трассы канала и его поперечных размеров. К гидрометеорологическим факторам относятся ветер, вызванное им волнения и течения. При легкоподвижных грунтах дна эти факторы в основном определяют режим потока наносов и заносимость канала. Степень заносимости каналов особенно велика во время штормов большой силы. К геологоморфологическим факторам относятся: состав пород морского дна, в котором сделана прорезь канала, геоморфологическое строение дна и берегов, связанное с условиями формирования потока наносов, поступающих в канал.

В зависимости от состояния и формы движения различают взвешенные наносы, длительное время наносящие собой массы воды вследствие интенсивного ее перемешивания волнением, придонные наносы, перемещающиеся все время по дну (донные катучие) или полувзешенные – периодически отрывающиеся от дна или донные оплывающие, образуемые в результате выпадения взвешенных илистых и глинистых частиц.

Заносимость различают двух типов: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя заносимость происходит под действием волнения и течений, размывающего действия винтов и судовых волн от проходящих судов, потери грунта в процессе работы земснаряда и других “внутренних” причин, т.е. имеют местный, ограниченный характер. Внешняя заносимость обусловлена поступлением наносов с соседних участков морского побережья и их осаждения в прорези канала.

Заносимость оценивается рядом факторов:

· объемом (перед дноуглублением);

_· толщиной (мощностью) наносов (для определения условий навигации);

_· распределением по длине канала (для определения условий навигации и ремонтного черпания);

_· распределением по ширине канала;

_· изменением во времени.

Защита каналов от заносимости.

Основными мерами по защите каналов от заносимости являются:

- переуглубление прорези по сравнению с требуемой по условиям навигации и создания, таким образом, необходимого запаса глубины канала на заносимость;

_- создание параллельных прорезей, гасящих волны и аккумулирующих наносы, при этом волновой поток подходит к основному сооружению, имея меньшую энергию волн и меньшее количество наносов;

_- устройство боковых “карманов” по сторонам входа в порт, имеющие в плане вид трапеции, улавливающих поток наносов, огибающих портовые оградительные сооружения;

_- наносозащитные (ограждающие) сооружения – дамбы: надводного (полного профиля) или подводные (неполного);

_- двусторонние или односторонние (в зависимости от направления, заносимости), различные по конструкции и материалу (бетонные, земляные).

Судоходная обстановка – необходима для обеспечения возможности определения местонахождения судна и его безопасности при движении в прибрежной зоне морей, по каналам, на подходе к порту и входе в порт, а также на акватории порта. Судоходная обстановка – это специальным образом установленные знаки, которые служат для установления направления и допускаемых границ судовых ходов, обозначения зон, опасных для плавания: эти знаки способствуют увеличению скорости продвижения судов на участках, затруднительных для плавания. Такими участками являются подходы к морским портам при недостаточных естественных глубинах, проливы, узкие заливы, устья рек, а также все искусственные пути (каналы и акватории), где судовой ход имеет небольшую ширину, извилист и стесняет плавание и маневрирование судов.

Судоходная обстановка по виду информации разделяется на зрительную, акустическую, радиотехническую; по смыслу информации на указательную и предостерегательную; по расположению: на береговую и плавучую. Однако, в большинстве случаев судоходная обстановка комбинированная, состоящая из плавучих и береговых знаков.

Ограждение морских каналов и фарватеров состоит из системы предостерегательных знаков, которые могут действовать по двум системам:

а) координальной (компасной), когда знаки указывают стороны света, в направлении которых располагается опасность (северная, южная, западная, восточная) и суда должны обходить опасность со стороны знака. Каждый знак имеет свое индивидуальное очертание и освещение по международным соглашениям;

б) латеральной (двусторонняя), состоящую из знаков, ограждающих стороны канала и фарватера, а также обозначающих оси фарватеров и рекомендованных курсов. Знаки латеральной системы ограждают правую или левую стороны фарватера по направлению с моря и направлению течения на реках.

Международной Ассоциацией Маячных Служб (МАМС) разработаны две системы ограждения А (красный цвет слева) и Б (красный цвет справа). Регион системы А : побережье Европы, Африки, Австралии, Азии (без Японии, Южной Кореи, и Филиппин); системы Б: побережье Северной и Южной Америки.

В регионе А используются латеральные знаки красного и зеленого цветов для обозначения соответственно левой и правой сторон фарватера, а в регионе Б, наоборот; зеленый слева, красный справа. В обоих регионах контур надводной (типовой) фигуры: слева – прямоугольник, справа – треугольник.

Форма кардинальных знаков строго не установлена, но, как правило, это буи и вехи: окраска черно–желтая, топовые фигуры: два треугольника один над другим, с северной стороны кверху, с южной вершинами вниз, с восточной – основаниями внутрь, с западной – вершинами навстречу.

К плавучим средствам судоходной обстановки относятся плавучие маяки и плавучие предостерегательные знаки: буи, вехи, бакены.

Плавучий маяк – небольшое само–(не)самоходное судно, имеющее особую окраску и снабженное светотехническим, звукосигнальным, радиотехническим навигационным оборудованием. Плавучий маяк устанавливается на точно определенные координаты, на якорях.

Буи: морские, канальные (большой - на начальных и поворотных участках канала; средний – бровках и мелководных каналов; малые – на речных участках морских каналов). Также бывают буи зимние с усиленной конструкцией для контактов со льдом (высота буев ~ 5-14 м).

Вехи – плавучий корпус с пропущенной сквозь него трубой с топовой фигурой.

Бакены применяют, главным образом, на внутренних водных путях, отличаются меньшими размерами.

Береговая (стационарная) судоходная обстановка служит для определения местоположения судна на акватории с помощью навигационных сооружений и устройств, располагаемых на берегу береговых (стационарных) маяков, створных знаков, береговых огней и т.п.

Маяки, обычно башенного типа, высотой от 10 до 50 м, снабжены светооптическим оборудованием, обеспечивающим дальность видимости до 50 км, а также звукосигнальными устройствами и т.п. применяется автономное энергоснабжение. Маяки служат для уточнения местоположения судна в прибрежной полосе и зон, опасных для мореплавания. Иногда располагаются в отдалении от береговой линии на островах или искусственных основаниях.

Створные знаки – это две–три металлические колонны со специальными створными щитами различных размеров, формы и окраски, светооптическим оборудованием. Располагаясь строго в плоскости, проходящей через осевую линию канала, навигационный створ помогает судоводителю удерживать судно в средней части канала.

Береговые огни и знаки служат для фиксации конкретных объектов на берегу или их частей (углов причала, пирса, мола и т.п.), конструкции: башни, пирамиды, столбы с различными фигурами треугольной или круглой формы или огнями.