Коллектив авторов - Океанография и морской лед

Рис. 2 Столообразный айсберг с горизонтальными размерами 424×190 м и массой более 3 млн т в районе Штокмановского ГКМ в Баренцевом море, 2003 г.

Результаты экспедиции 2003 г. заставили пересмотреть всю концепцию освоения Штокмановского месторождения. При этом заказчики потребовали от изыскателей всесторонней оценки айсберговой угрозы для исследуемого района и предложений для разработки комплекса мер по ее снижению. В итоге, в 2004–2007 гг. основной комплекс ледовых и гидрометеорологических наблюдений был дополнен гляциологическими исследованиями основных айсбергопродуцирующих ледников Земли Франца-Иосифа и Новой Земли и мониторингом айсбергов на всей акватории северо-восточной части Баренцева моря. В 2004 и 2005 гг. в ходе ледоисследовательских экспедиций на «Михаиле Сомове» были выполнены первые в России экспериментальные буксировки айсбергов с целью отвода их от предполагаемого гидротехнического сооружения ( Данилов и др., 2008, Лоскутова, 2004 ). Важным результатом исследований явилась концепция ледового менеджмента для защиты добывающих объектов ото льдов и айсбергов ( Гудошников и др., 2008 ).

Состав основного комплекса гидрометеорологических и ледовых работ, выполняемых в ходе морских инженерных изысканий, определяется нормативными документами и руководствами ( ВСН, 1988, СНиП, 1996, 1997, 2004 ). Наиболее полно и подробно применительно к морским условиям он раскрыт в СП 11-114-2004 «Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений» ( СП, 2004 ). Путем апробации различных методов наблюдений за характеристиками природной среды, формирования приборной базы, развития и совершенствования тех методов, которые позволяют обеспечить требуемую точность измерений, в лаборатории «Арктик-Шельф» была разработана своя технология выполнения полевых изысканий для акваторий замерзающих морей ( Зубакин и др., 2006 ). Обобщенный перечень видов наблюдений, необходимых при проведении экспедиционных работ, приведен в табл. 1.

Таблица 1. Состав основного комплекса ледовых и гидрометеорологических наблюдений при проведении изыскательских работ на шельфе

Проблемы, связанные с повышением качества гидрометеорологических изысканий в морских условиях, стоят очень остро в мировой практике не одно десятилетие. Ледяной покров занимает в списке этих проблем едва ли не лидирующее место. Несмотря на обилие нормативных документов, дебаты между изыскателями и проектировщиками по вопросам выбора исследуемых объектов и методикам наблюдений не прекращаются. Суть проблемы, на наш взгляд, кроется в принципиальных различиях в представлениях одних и других о морском ледяном покрове. Для успешного решения проблемы обеспечения безопасности гидротехнических объектов на уровне проектирования, все угрозы должны быть предельно четко и максимально полно описаны в качестве входных параметров в более или менее сложных моделях взаимодействия конструкций с окружающей средой. Для этого составляющие ледяного покрова разделены в соответствии с существующими классификациями и ледовой номенклатурой на ледяные образования различного вида, описываемые стандартным набором характеристик. В процессе полевых работ изыскатели сталкиваются с практически бесконечным разнообразием реальных ледяных форм и образований. В связи с этим, представление их в терминах существующих моделей далеко не всегда может быть однозначным.

Наиболее характерным примером подобной неоднозначности является проблема консолидированного слоя торосов – одной из основных характеристик льда, используемых при расчете ледовых нагрузок. Несмотря на большое количество исследований торосов в России и за рубежом, точного определения, что следует считать консолидированным слоем, которое одновременно удовлетворило бы и проектировщиков, и ледовых экспертов фактически не существует (что не мешает этому понятию присутствовать в нормативной литературе). Отсутствие такого терминологического определения порождает множество несогласий в методических вопросах выделения консолидированного слоя в полевых условиях.

Работа над проблемой консолидированного слоя ведется в ААНИИ постоянно. В полевых условиях были опробованы практически все известные на сегодня методы выделения консолидированного слоя: по вертикальному распределению температуры в торосе, по вертикальному распределению давления, оказываемого на индентор скважинного зонда-прессиометра и др. Наиболее надежным методом остается обработка результатов сквозного бурения торосов (механического, водяного, термобурения). Большой объем наблюдений, полученный в ходе изысканий, показал, что толщина консолидированного слоя сильно изменяется даже в пределах одного тороса, встречаются торосы с несколькими ядрами консолидации. Большой прогресс в понимании процесса консолидации льда в природных условиях удалось достичь в ходе подводных исследований торосов с использованием водолазов и телеуправляемых аппаратов. В частности выяснилось, что в однолетних торосах в северо-восточной части Баренцева моря достаточно часто встречается гротообразная консолидация (рис. 3), в которой пустоты не являются показателем раздела консолидированной и неконсолидированной частей тороса, а весь киль выступает как единая жесткая конструкция.

Рис. 3. Подводная часть тороса

Еще одной актуальной проблемой ледовых изысканий является определение прочности льда для расчета ледовых нагрузок. Отечественные нормативы и руководства предписывают рассчитывать нагрузки, используя среднюю по толщине льда прочность, полученную в ходе испытаний малых ледяных образцов ( СНиП, 1996 ). Однако такой метод дает завышенные пределы прочности, что ведет к неоправданному утяжелению и удорожанию конструкций. Практические эксперименты показали, что прочность льда, определенная в ходе приложения нагрузки ко всей толщине льда (так называемая «крупномасштабная прочность»), существенно ниже, чем рассчитанная осреднением пределов прочности малых образцов ( Алексеев и др., 2001 ). В результате, в последние годы использование только традиционных методов определения физико-механических характеристик льда для задач инженерных изысканий зачастую уже не устраивает заказчиков, особенно зарубежных. Поэтому в ААНИИ внедрены и уже в течение ряда лет успешно используются методы крупномасштабных испытаний льда ( Степанов и др. 2003 ). Дальнейшим развитием данного направления оказался разработанный в институте метод определения глобальных нагрузок со стороны торосов на сооружение. Основным измерительным средством в этом случае выступает ледокол, воздействующий на торос. При этом регистрируются все параметры движения ледокола по всем степеням свободы, а также усилие на винте. Перед началом испытаний выполняется детальное обследование тороса. Метод определения глобальных нагрузок был успешно реализован в 2008 г. на ледоколе «Капитан Николаев» и в 2009 г. на атомном ледоколе «Ямал» в ходе экспедиционных исследований в северо-восточной части Баренцева моря, направленных на освоение Штокмановского ГКМ.