При строительстве русловых портов на свободных реках сле­дует по возможности не нарушать естественного режима реки устройством выступающих в русло сооружений. Образующиеся в зоне выступающих частей сооружений местные вращательные те­чения могут быть опасны как для судов, так и для самих сооруже­ний— возможен размыв основания. Кроме того, такое вмешатель­ство в жизнь руслового потока может привести к нежелательным явлениям на прилегающих участках русла реки. При эксплуата­ционных расчетах учитывают влияние скорости течения на дви­жение судов.

У морских побережий течения вызываются различными при­чинами: ветром, волнами, приливно-отливными явлениями, разни­цей в температуре, плотности и солености воды и, наконец, раз­ностью широт различных точек моря. Большое влияние на харак­тер морских течений оказывает рельеф дна и конфигурация бере­га. Наибольшее практическое значение для портостроения имеют ветро-волновые и приливные течения, а также компенсационные течения, возникающие близ берегов у естественных или искусст­венных препятствий.

При фронтальном действии ветра образуется нагон, дополняе­мый перемещением воды вследствие волнения. Скапливающиеся у берега массы воды в отдельных местах узкими потоками перио­дически прорывают поток, образуя течения с большими скоростя­ми. Если ветер действует под углом к линии берега, то образуют­ся течения вдоль берега, затухающие по мере прекращения штор­ма. Скорость таких течений достигает иногда 1 м/с и больше. Не представляя опасности для судоходства и сооружений, эти те­чения нередко являются причиной заносимости подходных кана­лов и акваторий портов.

Приливно-отливные течения, почти не заметные в море, могут достигать значительных скоростей в проливах и устьях рек. Такие явления происходят, например, в горле Белого моря и в устье ре­ки Мезени, где максимальные скорости достигают нескольких мет­ров в секунду.

Ледовый режим. Реки и их различные участки, в зависимости от географического положения, замерзают в разные сроки. Про­должительность ледостава весьма различна — от нескольких дней до нескольких месяцев, а некоторые северные реки бывают покрыты льдом больше половины года. Желательно по возможности избегать участков берега, подвергающихся интенсивному воздей­ствию льда во время ледохода. При всех условиях необходимо знать уровни воды во время ледохода и учитывать опасную зону действия движущегося льда на сооружения. В отдельных случаях необходимо прибегать к устройству специальных льдозащитных сооружений, устраняющих или ослабляющих воздействие льда на основные причальные сооружения порта. Для устранения влияния термического воздействия льда на сооружения рекомендуется уст­ройство полыней. С этой целью используют специальные ледорезные машины или пневматические установки, стимулирующие тая­ние льда благодаря .подъему глубинных более теплых масс воды.

Замерзание водохранилищ в зоне подпора ввиду отсутствия течений происходит в более ранние сроки, чем на участках свобод­ных рек; освобождение ото льда водохранилищ происходит с за­позданием. Разница в сроках нередко достигает 10—15 дней. Ле­доход отсутствует — лед тает на месте. Так же спокойно происхо­дит образование льда и у морских побережий. Можно лишь отме­тить, что замерзание морской воды вследствие ее солености про­исходит медленнее, чем пресной, а морской лед отличается боль­шей вязкостью и пластичностью.

Вскрытие и замерзание отдельных участков реки, в зависимо­сти от географического их положения, может происходить в сроки, отличающиеся до месяца (например, участки р. Волги у Астраха­ни и у Нижнего Новгорода). Неодновременно происходят эти явления и на различных участках у морского побережья. Даты конца весеннего ледохода и начала осеннего определяют физическую длительность навигации. К сожалению, физическая длительность навигации весьма подвержена изменениям, и поэтому для правильного выбо­ра расчетной ее величины необходимы данные многолетних на­блюдений. По этим данным составляют графики обеспеченности длительности навигации и по ним назначают расчетную длитель­ность, используемую в процессе проектирования портов. Чем боль­ше навигационный период, тем большее количество грузов может быть перевезено по водному пути.

2.4. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

При строительстве портов весьма важно знать геологическую структуру берегов и условия залегания пластов. Особенно опас­ны высокие речные (и морские) берега, на которых, ввиду небла­гоприятного напластования грунтов, проявляются оползневые явления, Причина этого — наличие наклоненных в сторону реки подстилающих верхние грунты водоупорных слоев, по которым и скользят расположенные выше массы грунта. Остановить движение оползневых масс грунта при значительном их объеме и большой высоте берега иногда весьма трудно и требуются дорогостоящие работы по глубокому дренированию берега, уположиванию откосов и перераспределе­нию земляных масс. Поэтому, как правило, при выборе места для постройки портовых сооружений избегают таких мест и стремятся найти более устойчивые участки берега.

Огромное значение для портостроения имеет переформирова­ние берегов под действием климатических и гидрологических фак­торов, из которых влияние последних проявляется в значительной степени.

На реках основной причиной, вызывающей переформирование берегов, является течение. Большинству равнинных рек свойствен­на извилистая меандрическая форма русла. Если река, развивая извилистость, подойдет к участкам долины, сложенным слабо размываемыми породами, то излучины перестают увеличи­ваться и начинают сползать вниз по течению, сохраняя свою фор­му. Если же поток не стеснен склонами долины, то излучины превращаются в петли с хорошо выраженными пере­шейками. В случаях, когда при высоких уровнях вода свободно переливается через перешеек излучины, даже при большой его ширине может произойти прорыв перешейка с резким изменением русла.

Характер изменения русла реки легко устанавливается сопос­тавлением топографических планов за различные годы. Если имеет­ся тенденция к изменению русла, то необходимо предусматри­вать мероприятия, закрепляющие его в районе порта.

На водохранилищах и морях основной причиной изменения бе­регов в плане является волнение, которое стремится сгладить рез­кие неровности берега и образовать плавную прямую береговую линию. Когда вол­ны накатываются на берег, они выносят на него, на некоторую высоту от уреза воды, частицы грунта. Обратное скатывание твер­дых частиц вместе со струями воды происходит по линии наиболь­шего ската, нормально к линии уреза. Нетрудно заметить, что при этом на выпуклом берегу будет происходить рассеивание частиц и, следовательно, можно ожидать его размыва; на вогнутом берегу, наоборот, будет возникать намыв, а при прямолинейном очерта­нии берега и подходе фронта волн под некоторым углом к бере­гу—транзит наносов.

Действительный характер воздействия волн отличается от этой примитивной схемы ввиду описанного выше явления рефракции волн, но следует заметить, что рефракция, концентрируя энергию волн на выступающих частях берега, лишь способствует процес­су выравнивания берегов. На морских побережьях этот процесс за многие тысячелетия в основном уже завершился. Лишь на от­дельных участках происходит сравнительно небольшой размыв берега с интенсивностью около 1—2 м в год.

Иначе протекает процесс на вновь образуемых водохранили­щах. Здесь в некоторых случаях возможен размыв выступающих частей суши с интенсивностью до 100—150 м в год. При любом строительстве на таких берегах необходимо тщательное изучение процесса переформирования берега путем организации наблюде­ний я его прогнозирование на основе соответствующих расчетов.

Пологий песчаный характеризуется профи­лем динамического равновесия, который зависит от крупности фракций грунта, слагающих берег, и интенсивности волнения и те­чений. Если первоначальный уклон дна больше того, который свойствен профилю динамического равновесия (при данных конк­ретных условиях), то происходит интенсивный размыв берега. В случае, когда первоначальный уклон меньше этого “критическо­го” значения — берег намывается. Такого рода переформирования берега весьма часто происходят на водохранилищах, тогда как на морских побережьях этот процесс, как правило, уже закончен. На отдельных участках Балтийского побережья, а также на побережье Бельгии и Франции, дюны тянутся на десятки километ­ров, охватывая прибрежные полосы большой ширины (до несколь­ких километров). Высота песчаных валов, обычно не превышаю­щая нескольких метров, доходит до 100 м, ив этом случае их за­крепление является уже сложной инженерной проблемой.

Крутой профиль характерен для берега из плотных, метаморфических или осадочных пород. Под совместным действием волнений, течений, ветров и замерзания воды, прони­кающей в расщелины, первоначальное положение коренного бере­га. Всякое строительство на пляже, находящемся в динамическом равновесии, воз­можно только при защите бе­рега от действия волн. Если же такого ограждения не делается, то сооружения должны раз­мещаться обязательно за пределами изменяющейся части пляжа.

Движение наносов является одним из важных факторов, влияющих как на строительство, так и на эксплуатацию портов. Движение наносов непосредственно связано с явлением перефор­мирования берегов и течениями. Речной поток всегда несет какое-то количество взвешенных и влекомых донных наносов. Всякое вмешательство в жизнь реки при строительстве портов приводит к изменению режима движения воды и наносов, с образованием в одних местах зон с более высокими скоростями движения, а в других — зон с пониженными скоростями. Соответственно в пер­вом случае возможен размыв русла, а во втором неизбежно отло­жение наносов. По длине реки в верхней ее части в общем преоб­ладает явление размыва и насыщения потока наносами, в ниж­ней, с падением уклонов и скоростей течения, более характерно выпадение наносов. Процесс выпадения наносов наиболее интен­сивен в устьях рек. При впадении реки в залив резко уменьшают­ся скорости течения, что сопровождается осаждением взвешенных и донных частиц. В результате такого осаждения наносов перед устьем реки образуется обширное мелководье, называемое усть­евым баром. С течением времени мели поднимаются, образуя острова; речные воды, стремясь к морю, промывают в них про­токи, создавая многочисленные разветвления. Образуется обшир­ное пространство треугольной формы в плане, состоящее из мно­гочисленных островов, рукавов, боковых проток, отделившихся озер. Такие устья называются дельтами и занимают об­ширные площади в несколько тысяч квадратных километров. Так, дельта Волги имеет по основанию 120 км, по длине 200 км и площадь более 12000 км²; дельта Северной Двины имеет в основании 50 км и длину 50 км; Санкт-Петербург располагается на многочисленных островах дельты р. Невы. Нижняя граница дельты не­постоянна: при половодье дельта про­двигается в море, затем волнение раз­мывает отложения наносов, а течения переносят их вдоль побережья.

3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРТА

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

После выбора технологической схемы прохождения грузов (и пассажиров) через порт его основные составные элементы под­вергают расчету. Рассчитываемыми непосредственно по заданному грузообороту характеристиками элементов порта являются: 1) длина причальной линии; 2) размеры акватории; 3) глубины порта; 4) размеры складов; 5) количество прикордонных и тыло­вых железнодорожных путей.

Размеры портовой территории определяются в процессе ком­поновки порта, исходя из условия удобного размещения в плане всего основного и вспомогательного оборудования порта, зданий и сооружений. Нормальная ширина основной части территории, непосредственно примыкающей к причалам, в зависимости от ви­да грузов и технологических схем их обработки колеблется в пре­делах 120—250 м. Недостаточная ширина этой оперативной по­лосы территории порта создает значительные эксплуатационные затруднения и снижает пропускную способность причалов. Ха­рактерными примерами в этом отношении являются Новосибир­ский, Ростовский и Московский Северный порты, где ширина от­дельных участков оперативной территории менее 50 м.

3.2. ДЛИНА ПРИЧАЛЬНОГО ФРОНТА

Причальная линия порта состоит из отдельных прямолинейных участков берега. Если прежде основные причалы выполняли сплошными по длине, то за последнее время, в связи с появлени­ем стационарных высокопроизводительных перегрузочных машин, нередко причалы делают в виде отдельных опор (бычки, кусты свай) при откосном креплении берега.

Общая длина причального фронта — это отчетная харак­теристика и представляет собой сумму длин причальных линий отдельных районов или причалов, предназначенных для перера­ботки самых различных грузов. При проектировании рассматриваются отдельно не только грузы различной категории, но и различные по характеру перевозок, направлению движения, по типам судов, на которых они перевозятся, и т.д. Расчет ведет­ся отдельно для каждой выделенной, в соответствии с приведенной ранее классификацией, доли грузооборота и лишь после оп­ределения количества причалов рассматривается целесообраз­ность совмещения однородных грузов на причалах. Так, напри­мер, могут совмещаться различные категории штучных грузов, перевозимых на разных судах в разных направлениях, или раз­личные категории навалочных грузов (минерально-строительные материалы и руда, уголь и руда) и т.д.

Необходимая для перегрузки груза данной категории длина причального фронта определяется в зависимости от длины рас­четного судна и полученного по расчету числа причалов.

В зависимости от длины и типа судна, от профиля или типа причального сооружения Нормы технологического проектирова­ния предусматривают целую сетку величин разрывов между судами — от 10 до 25 м.

В целях уменьшения общей длины причальной линии, если это возможно, концевые причалы делаются неполной длины. Отдельно стоящие причалы также могут иметь уменьшенную длину.

Наконец, нефтяные отдельно стоящие причалы могут иметь ос­новную часть, обеспечивающую размещение технологического обо­рудования, минимальной длины. В этом случае для швартовки судов устраиваются специальные палы, не связанные с основной конструкцией причала. В некоторых случаях приходится, наоборот, увеличивать дли­ну причала. Так, например, если предусматривается передвижка судна в процессе перегрузочных работ, то при расчете длины при­чала к длине судна следует добавить и вели­чину передвижки. Иногда удлинение причальной линии может быть продиктовано и компоновочными соображениями (размеще­ние складов требуемой длины, подход железнодорожных прикордонных путей на концевом причале).

Если на причалах совмещается перегрузка различных грузов, то число причалов увеличивается: на 10% — при двух видах грузов, на 20% — при трех и на 30% — при четырех видах гру­за.

Пропускная способность причала зависит от технических и эксплуатацион­ных факторов, а также метеорологических условий.