В статье изложены методика и результаты математического моделирования литодинамических характеристик побережья и заносимости акватории порта ­Пионерский на Балтийском побережье Калининградской области как в существующих условиях, так и в условиях его реконструкции. По результатам моделирования для предотвращения заносимости подходов к реконструируемому порту Пионерский предлагается построить наносорегулирующую шпору к западу от корневой части нового оградительного мола. При этом объем аккумуляции наносов и заносимость внешней проектной акватории значительно снизятся.

УДК 69.04

К.Н. МАКАРОВ, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой строительства Сочинского государственного университета туризма и курортного дела, академик Академии транспорта РФ

Ключевые слова: портовые гидротехнические сооружения, акватория порта, вдольбереговой поток наносов, наносоудерживающая шпора
Keywords: port hydraulic structures, water area of port, coastal stream sediments, spur (sandbank) for alluvion retention

Порт Пионерский располагается в г. Пионерском Калининградской области, на северном побережье Самбийского полуострова, омываемого Балтийским морем. Порт имеет традиционную конфигурацию оградительных сооружений, которая способствует постоянному занесению подходного канала песчаными наносами, поступающими с запада.

В рамках реконструкции порта проектируется Международный морской терминал, предназначенный для приема круизных судов пассажировместимостью до 5000 чел. и длиной до 320 м, а также паромов длиной до 211 м.

По результатам волновых расчетов и моделирования проектной организацией ООО «Морстройтехнология» (г. Санкт-Петербург) была разработана конфигурация гидротехнических сооружений, показанная на рис. 1.

Внешняя акватория существующего порта Пионерский подвергалась значительной заносимости. Поэтому одной из задач научного обоснования проекта реконструкции было моделирование заносимости разворотного круга и вновь создаваемой операционной акватории.

Для оценки литодинамических характеристик проектного участка берега был выполнен расчет среднемноголетнего и штормового вдольберегового транспорта наносов.

По результатам расчетов было установлено, что среднемноголетний вдольбереговой поток наносов на проектном участке берега направлен с запада на восток. Его емкость составляет около 60 тыс. м³/год. При этом размах миграций наносов составляет примерно 70 тыс. м³/год с запада на восток и порядка 10 тыс. м³/год с востока на запад.

Максимальная емкость штормового потока наносов – порядка 35-40 тыс. м³/сут. – имеет место в штормах от ЗСЗ, СЗ и ССЗ направлений. Эти потоки наносов направлены с запада на восток. С востока на запад наносы переносятся в штормах ССВ и СВ направлений, их емкость составляет 5-6 тыс. м³/сут.

Таким образом, мощные среднемноголетние и штормовые вдольбереговые потоки наносов на проектном участке берега переносят наносы вдоль Северного мола порта Пионерский. При обходе этим потоком Северного мола поток расширяется, и наносы выпадают на дно, вызывая заносимость подходного канала.

Теоретические представления о динамике песчаных наносов в окрестностях поперечного сооружения заключаются в следующем.

Вдольбереговой перенос наносов на песчаных берегах происходит как непосредственно под воздействием штормового волнения (относительно крупные наносы), так и вдольбереговым течением, являющимся суммой энергетического, градиентных и дрейфового течений. Это течение переносит значительный объем песчаных наносов мелких фракций во взвешенном состоянии на широком фронте, достигающем ширины 1 км.

Волны и течения оказывают противоположное влияние на вдольбереговой поток песчаных наносов в окрестности поперечного сооружения (рис. 2).

Под воздействием косоподходящего волнения песчаные наносы стремятся образовать перед поперечным сооружением «входящий угол», то есть аккумулятивную форму (рис. 3). При этом на низовом участке имеет место низовой размыв ввиду дефицита наносов во вдольбереговом потоке.

В то же время течение образует перед сооружением круговорот, стремящийся размыть берег (рис. 2 и 4). Обходя сооружение с морской стороны, течение сужается, и его скорость увеличивается, оно насыщается взвешенными наносами. После обхода сооружения струя течения расширяется, его скорость падает, и наносы выпадают в головной части сооружения с подветренной его стороны (рис. 4). С низовой стороны сооружения образуется второй круговорот, стремящийся образовать аккумулятивную форму.

По данным многолетних наблюдений, эта картина наблюдается с восточной стороны Северного мола порта Пионерский. После прохождения участка Северного мола струя вдольберегового течения расширяется, и наносы выпадают к востоку от головы мола, образуя отмель (рис. 5).

Аналогичная литодинамическая ситуация имеет место в г. Евпатории на западном побережье Крыма. В настоящее время пляж в Евпаторийской бухте отсутствует. Причиной его размыва является строительство сплошного мола морского порта на мысе Карантинном (рис. 6) длиной 200 м, который прервал северо-западный вдольбереговой поток наносов, идущий от озера Донузлав [1].

В настоящее время наносы обошли портовый мол, и часть их аккумулировалась в районе юго-восточной оконечности мола на глубинах порядка 7-8 м (рис. 6). Здесь образовалась банка, которая, по данным промеров ­ЛЕНМОРНИИПРОЕКТа, имеет объем порядка 30 тыс. м³. Однако эти наносы не поступают на пляж, так как находятся вне прибойной зоны и не перемещаются волновыми течениями в бухту. К западу от портового мола из вдольберегового потока наносов образовался входящий угол, объем наносов в котором оценивается примерно в 250 тыс. м³.

В соответствии с результатами расчетов, выполненных по методике, изложенной в [2], до строительства нового оградительного мола имеет место тенденция к заносимости внешней акватории существующего порта Пионерский на 0,6 м в среднем за год. После строительства новых оградительных сооружений расчетная заносимость внешней акватории порта составит порядка 0,2-0,3 м/год.

Для предотвращения заносимости подходов к рекон­струируемому порту Пионерский потоком наносов от запада предлагается построить наносорегулирующую шпору в корневой части нового оградительного мола (рис. 7).

Шпора частично перехватит поток песчаных наносов, а частично направит его в обход себя с последующей аккумуляцией наносов к востоку от головной части шпоры и образованием некоторого участка аккумуляции наносов с подветренной стороны шпоры (рис. 7).

При этом будет существенно сокращен расход наносов во вдольбереговом потоке, огибающем оголовок нового оградительного мола. Следовательно, объем аккумуляции наносов и заносимость внешней проектной акватории значительно снизятся.

Наносоудерживающую шпору было рекомендовано строить из тетраподов массой 13 т с уклоном 1:1.5.

На участках примыкания шпоры к берегоукреплению территории порта было рекомендовано выполнить усиление этого берегоукрепления тетраподами массой 5 т с уклоном 1:2 на протяжении 20 м в обе стороны от корневой части шпоры.

В соответствии с [3] буны на песчаных берегах должны сооружаться с горизонтальным гребнем, расположенным на 0,5 м выше отметки среднего многолетнего уровня моря с учетом ветро-волнового нагона. Отметка такого уровня составляет Нср.мн.=-0,09 м БС. Таким образом, отметку гребня наносоудерживающей шпоры следует принять равной Нгр=+0,50 м БС.

Наносы, которые будут образовывать входящий угол с западной стороны шпоры, необходимо периодически изымать и перемещать на пляжи г. Пионерского к востоку от порта (байпассинг). Эти мероприятия необходимо предусмотреть при эксплуатации реконструируемого порта Пионерский.

Устройство предлагаемой наносорегулирующей шпоры позволит существенно снизить заносимость подходов к порту Пионерскому западным вдольбереговым потоком наносов. Однако заносимость акватории за счет переноса наносов с востока при этом сохранится.

В работе использованы результаты исследований в рамках НИР № 2614 «Разработка математических моделей взаимодействия волн с гидротехническими сооружениями», выполняемой в Сочинском государственном университете по государственному заданию.

Библиографический список

1. Современное состояние береговой зоны Крыма. Атлас / Под ред. Ю.Н. Горячкина. – Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2015.

2. Макаров К.Н., Макаров Н.К., Горлова А.А. Теоретические основы расчета заносимости портовых акваторий и подходных каналов. – Сборник научных трудов S World. Украина, 2015. Выпуск 1(38), с. 46-55.

3. СП 32-103-97. Проектирование морских берегозащитных сооружений. – М.: Трансстрой, 1998.