ALEKSANDRA WAWRZYŃSKA doi. 10.12716/1002.27.05 Akademia Morska w Gdyni Katedra Systemów Transportowych KIERUNKI ROZWOJU INFRASTRUKTURY PORTOWO-MORSKIEJ NA PRZYKŁADZIE FALOCHRONÓW PIONOWOŚCIENNYCH Rozwój infrastruktury portowo-morskiej na przykładzie falochronów pionowościennych konstrukcji narażonych na bezpośrednie oddziaływanie falowania i służących do całkowitej lub częściowej osłony portu przed falowaniem. Analiza wymagań stawianych falochronom oraz poszukiwanie kompromisu między możliwie najniższymi kosztami inwestycji a maksymalną gwarancją bezpiecznej eksploatacji planowanej konstrukcji. Konieczność zdefiniowania czynników zewnętrznych, mających największy wpływ na pojawienie się ryzyka awarii oraz miejsc w obrębie budowli, które są najbardziej newralgiczne na oddziaływanie tych czynników. Przykłady innowacyjnych projektów stanowiących kolejne wyzwania dla inżynierów, działających na polu infrastruktury portowo-morskiej. WPROWADZENIE Rozwój infrastruktury portowo-morskiej, uwarunkowany głównie rozwojem żeglugi, natrafia na istotne trudności wynikające z jednej strony z niezwykle wysokich kosztów realizacji poszczególnych budowli, a z drugiej strony z ciągle jeszcze dużej niepewności w zakresie bezpiecznego wykonania budowli narażonych na oddziaływania falowania morskiego. Z tego też względu wszystkie realizowane prace badawcze zmierzają przede wszystkim w kierunku zwiększenia właściwości tłumiących konstrukcji hydrotechnicznych, przejmujących oddziaływanie falowania, a więc przede wszystkim falochronów. Tendencje w zakresie wzrostu właściwości tłumiących falowania widoczne są także w odniesieniu do nabrzeży, szczególnie wykonanych na akwenach nieosłoniętych oraz stykających się z torami wodnymi, po których poruszają się szybkie jednostki wywołujące dużą falę okrętową [8]. Jakkolwiek niniejszy artykuł ograniczony jest jedynie do falochronów konstrukcji narażonych na bezpośrednie oddziaływanie falowania i służących, z definicji, do całkowitej lub częściowej osłony portu przed falowaniem, to opisane w nim metody i rozwiązania mogą posłużyć także w przypadku innych niż falochrony konstrukcji portowo-morskich, jak np. wspomniane wyżej nabrzeża. Analizie poddano jeden rodzaj falochronów konstrukcje o ścianach pionowych. Zwrócono przy tym szczególną uwagę na rozwiązania wspomagające wzrost właściwości redukujących obciążenie falowaniem. Niemniej głównym celem nowych projektów jest osiągnięcie kompromisu między możliwie najniższymi kosztami inwestycji a maksymalną gwarancją bezpiecznej eksploatacji planowanej konstrukcji, bez względu na jej rodzaj i przeznaczenie.
A. Wawrzyńska, Kierunki rozwoju infrastruktury portowo-morskiej na przykładzie falochronów pionowościennych 63 Falochrony pionowościenne nie zawsze cieszyły się tak dużym zainteresowaniem, jak ma to miejsce w chwili obecnej. Liczne awarie klasycznych pionowościennych konstrukcji w latach 30. ubiegłego wieku spowodowały w zasadzie porzucenie projektowania tego typu konstrukcji na rzecz falochronów narzutowych. Ożywienie nastąpiło blisko pół wieku później, po serii katastrof dużych falochronów narzutowych, jakie miały miejsce na przełomie lat 70. i 80. XX wieku [12]. W ich następstwie inżynierowie podjęli szereg starań, aby wrócić do projektowania falochronów o ścianach stromych. Dziś zauważa się silny trend w konstruowaniu nowoczesnych falochronów pionowościennych, jednak wymagania stawiane na przestrzeni ostatnich lat tego typu konstrukcjom są zdecydowanie większe w porównaniu z rozwiązaniami klasycznymi. Przede wszystkim wzrasta liczba falochronów, które muszą przeciwstawiać się ostrym warunkom środowiskowym z jednej strony są to konstrukcje budowane na głębokiej wodzie, gdzie poddawane są ostrym warunkom falowym, a z drugiej muszą być posadowione na gruntach słabych ze względu na konieczność poszukiwania nowych terenów dla eksploatacji portów, często na obszarze akwatorium. Dodatkowo wzrost popularności sportów wodnych powoduje, że falochrony są stosowane do wydzielenia bardzo szerokich osłoniętych obszarów i akwenów marin jachtowych. Stworzenie innowacyjnych projektów oraz próba lub nawet rzeczywista ich aplikacja wiążą się z koniecznością zdefiniowania czynników zewnętrznych, mających największy wpływ na pojawienie się ryzyka awarii oraz miejsc w obrębie budowli, które są najbardziej newralgiczne na oddziaływanie tych czynników. 1. REDUKCJA OBCIĄŻEŃ OD FALOWANIA NA ŚCIANIE FALOCHRONU W celu redukcji obciążeń falowych oddziaływających na pionową ścianę monolitycznego falochronu (stanowiącą czynnik krytyczny w układzie obciążeń) i zwiększenia tym samym stateczności całego układu (całej konstrukcji) proponuje się zastosowanie dość prostej zasady opartej na niewielkiej zmianie geometrii zarówno pionowej ściany, jak i całej konstrukcji skrzyni. W planie konstrukcji pionowa ściana od strony otwartego morza może składać się z rzędu półcylindrycznych powłok [5]. Zależnie od głębokości w miejscu podstawy takiej półcylindrycznej ściany redukcja najbardziej niebezpiecznych obciążeń od fali załamującej się bezpośrednio na ścianie konstrukcji i powodującej powstanie tzw. piku obciążeń może sięgać nawet 45%. Jeżeli dodatkowo zaproponuje się pochyłe lico pionowej ściany odmorskiej w jej przekroju poprzecznym, powyżej poziomu spokoju, to w rezultacie nastąpi dalsza redukcja obciążeń. Pochyłe lico wymusza zmianę kierunku oddziaływającej fali na przeciwny, uniemożliwiając tym samym przelewanie się fali ponad koroną falochronu. Redukcja obciążeń tak zmodyfikowanej pionowej ściany może sięgać nawet 60%, w porównaniu z pionowym licem odmorskiej ściany, co jest już wielkością niebagatelną (rys. 1).
64 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 27, 2012 o piasek piasek piasek Obciążenie całkowite Redukcja obciążeń Wariant I 100% Wariant II 25 45% Wariant III 30 60% Rys. 1. Wpływ geometrii pionowej ściany odmorskiej na redukcję obciążeń pochodzących od fali załamanej Źródło: opracowanie własne na podstawie [11]. Impulsowe obciążenia od fali załamującej się bezpośrednio na ścianie konstrukcji mogą być całkowicie zniwelowane przez ułożenie podsypki o właściwościach dyssypacyjnych na przedpolu falochronu, chociaż jest to sposób bardzo drogi i może być zastosowany tylko w szczególnych przypadkach. Wzrost stateczności całego układu celem przeciwstawienia się obciążeniom od fal załamujących się jest możliwy także poprzez: zastosowanie techniki poprzecznych połączeń między kesonami (rys. 2, 3), użycie skrzyń o dłuższych sekcjach (rys. 4) oraz stawianie skrzyń o zakrzywionym licu ściany. Zastosowanie powyższych ustaleń będzie powodować także redukcję odbicia fali wewnątrz samego portu [7]. Przekrój Widok z góry Ściany zewnętrzne Skrzynia 1 Skrzynia 1 Otwarta przestrzeń Skrzynia 2 Skrzynia 2 Beton wykonany pod wodą Fundament skrzyni Beton wykonywany pod wodą Źródło: opracowanie własne na podstawie [4]. Rys. 2. Łączenia między skrzyniami
A. Wawrzyńska, Kierunki rozwoju infrastruktury portowo-morskiej na przykładzie falochronów pionowościennych 65 Tłuczeń Tłuczeń Łącznik między ścianami skrzyń prostokątnych Łącznik między ścianami skrzyń cylindrycznych wariant I Łącznik między ścianami skrzyń cylindrycznych wariant II Rys. 3. Rodzaje i kształt łączników skrzyń falochronowych Źródło: opracowanie własne na podstawie [7]. 2. REDUKCJA WSPÓŁCZYNNIKA ODBICIA FALI ORAZ JEJ PRZELEWANIA SIĘ PONAD KONSTRUKCJĄ Zmniejszenie współczynnika odbicia fali jest możliwe poprzez zastosowanie perforowanych skrzyń o zróżnicowanych kształtach i komorach falowych, jak to przedstawiono na rysunku 4. Natomiast redukcję przelewania się fali ponad koroną konstrukcji można osiągnąć przez użycie skrzyni o odpowiedniej konstrukcji nadbudowy (rys. 5). Trójkomorowa skrzynia (Porto Torres, Włochy) Półcylindryczna skrzynia (Miyazaki Port, Japonia) Dwucylindryczna skrzynia (Nagashima, Japonia) Ażurowa skrzynia (Fukanawa, Japonia) Rys. 4. Innowacyjne skrzynie ażurowe [1]
66 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 27, 2012 Prosta betonowa nadbudowa (często stosowana w Japonii) Typowy parapet odmorski Wypełnienie piaskiem Zakrzywiony parapet odmorski (Porto Torres, Włochy) Odwrócony parapet odmorski (Naples, Włochy) Żebrowana nadbudowa z pochyłą ścianą odmorską (Marsa El Brega, Libia) Parapet odmorski z basenem dyssypacyjnym (Fontvielle, Monako) Promenady spacerowe Droga eksploat. Palisada (30% porowat.) Kanał dyssypacyjny Nadbudowa w postaci mola spacerowego (Brighton Marina, Wielka Brytania) Nadbudowa z kanałem dyssypacyjnym Rys. 5. Rodzaje nadbudowy falochronów skrzyniowych Źródło: opracowanie własne na podstawie [1].
A. Wawrzyńska, Kierunki rozwoju infrastruktury portowo-morskiej na przykładzie falochronów pionowościennych 67 3. FALOCHRONY POSADOWIONE NA GRUNTACH SŁABYCH Uzyskanie odpowiedniego fundamentu dla bardzo skomplikowanej konstrukcji, jaką jest falochron, nie jest sprawą prostą nawet przy projekcie posadowienia na gruntach mocnych. Jeżeli w gruncie dna morskiego występuje cienka warstwa namułów, gliny lub iłów, falochron nie może być posadowiony jako fundament bezpośredni, co oznacza konieczność zastosowania fundamentów pośrednich. Jednym z przykładów może być keson palisadowy (rys. 6), przedstawiony jako jeden z wariantów mariny w Monako. Innym przykładem jest posadowiona na palach kurtyna ścienna, zaproponowana przez Coxa [3]. Inwestorzy zdecydowali jednak, iż zrealizowany zostanie wariant, w którym falochron stanowi konstrukcja pływająca. Projekt przewidywał budowę wstępnie sprężonego kesonu o wymiarach: długość 360 m, szerokość 28 m oraz wysokość 19 m, który został następnie zamocowany na stalowych linach zakotwiczonych w dnie morskim na głębokości 60 m (rys. 7). Rys. 6. Wielopoziomowa skrzynia posadowiona na palisadzie, alternatywa dla mariny w Monako [2]
68 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 27, 2012 Rys. 7. Falochron w postaci wstępnie sprężonej pływającej skrzyni, alternatywa dla mariny w Monako [10] Alternatywą dla powyższych rozwiązań może być keson zapuszczany, który penetruje przez słabą warstwę aż do warstwy nośnej. Właśnie takie rozwiązanie stanowiło jeden z wariantów dla konstrukcji falochronu projektowanej w porcie Malaga w Hiszpanii, gdzie warstwa słaba osiąga miąższość nawet 15 m [10]. 4. FALOCHRONY UMOŻLIWIAJĄCE WYMIANĘ WODY Są one projektowane szczególnie dla marin, w których zachodzi konieczność wymiany wód pomiędzy akwatorium portowym a otwartym morzem. Realizacja tego celu jest możliwa przy zastosowaniu np. perforowanych skrzyń lub konstrukcji posadowionych na palach, w których dolna część falochronu pozostaje otwarta (rys. 8). Innym rozwiązaniem jest zastosowanie otworów w dolnej części skrzyń, które z sukcesem zrealizowano np. w porcie Hokkaido w Japonii. Jeszcze inne rozwiązanie stanowi wykorzystanie specjalnych skrzyń z otworami w dolnej części, które umożliwiają przepływ wody od strony otwartego morza w kierunku portu. Prototyp takiej skrzyni powstał i został poddany intensywnym testom w Korei Południowej [6]. Szczegóły konstrukcji przedstawiono na rysunku 9.
A. Wawrzyńska, Kierunki rozwoju infrastruktury portowo-morskiej na przykładzie falochronów pionowościennych 69 a) b) Port Morze Port Ażurowa pionowa ściana Nieprzepuszczalna ściana Nieprzepuszczalna ściana Nieprzepuszczalna ściana Pale Pale Pale Pale Falochron w postaci podwójnej ściany wypełniającej z ażurowym frontem posadowionej na palach Falochron w postaci podwójnej ściany wypełniającej posadowionej na palach Rys. 8. Warianty dla falochronów umożliwiających wymianę wód: a) wariant z ażurową ścianą odmorską [3], b) wariant z nieprzepuszczalną ścianą odmorską [9] Morze Port Rys. 9. Falochron w postaci skrzyni ażurowej, z wewnętrznymi komorami rozpraszającymi, umożliwiający wymianę wód między otwartym morzem a portem [1] 5. FALOCHRON WIELOFUNKCYJNY Powyższe rozważania dotyczyły eksploatacji falochronów pionowościennych w trudnych, czasem wręcz ekstremalnych warunkach falowych. Ich zadaniem jest przede wszystkim ochrona terenów portowych i przybrzeżnych przed falowaniem. Redukcja obciążeń pochodzących od falowania jest najistotniejszą, ale nie jedyną przyczyną poszukiwania innowacyjnych rozwiązań. Różnorodność kształtów i wymiarów prefabrykowanych elementów skrzyniowych pozwala na stosowanie ich np. jako elementów strukturalnych dróg, a nadbudowy falochronów jako promenad spacerowych (rys. 5). Możliwe jest nawet zastosowanie dużych skrzyń służących jako parkingi garażowe lub obiekty biurowe wewnątrz skrzyni, co również było przedmiotem rozważań projektu koncepcyjnego mariny w Monako (rys. 6 i 7).
70 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 27, 2012 Skrzynie falochronów pionowościennych mogą także służyć jako fundamenty dla turbin morskich elektrowni falowych. Powstała w ten sposób konstrukcja jest połączeniem falochronu chroniącego przed falowaniem i zakładu energetycznego przetwarzającego energię mechaniczną fal morskich na energię elektryczną [8]. Wykorzystanie energii falowania jest przedmiotem dużego zainteresowania przede wszystkim dlatego, że energia falowania jest znaczna. Tego typu konstrukcje pozostają dotychczas w fazie analiz i prototypów, jednak prowadzone rozległe badania zmierzają w kierunku rozszerzonego wykorzystania morskich elektrowni falowych do ochrony brzegu morskiego. PODSUMOWANIE Analizując listę wymienionych wyżej wymagań stawianych falochronom, kompromis między możliwie najniższymi kosztami inwestycji a maksymalną gwarancją bezpiecznej eksploatacji planowanej konstrukcji jest możliwy do osiągnięcia w przypadku wyboru konstrukcji skrzyniowej stawianej o kształcie cylindrycznym lub skrzyni zbudowanej z betonu wstępnie sprężonego. Jest to przede wszystkim efekt dużej elastyczności tego typu konstrukcji w zakresie dowolnego niemal przeznaczenia i szerokich możliwości wykorzystania w czasie eksploatacji. Wymienione wyżej rodzaje falochronów skrzyniowych mogą być stosowane zarówno jako typowe mocne konstrukcje chroniące przed silnym oddziaływaniem falowania morskiego, jak i jako ściany nabrzeży lub pirsów chroniące newralgiczne części portu wewnętrznego, czy też w postaci pionowych ścian chroniących tereny refulowane. Dodatkowo należy podkreślić, iż elastyczność w odniesieniu do kształtów skrzyń oraz dodatkowych elementów strukturalnych w celu tłumienia falowania i tym samym wzrostu bezpieczeństwa lub zwiększenia użyteczności w postaci instalowania turbin falowych czy promenad spacerowych oraz możliwość wykonania prefabrykatów o dowolnym kształcie czyni je odpowiednimi do stosowania w szerokim zakresie niezależnie od głębokości wody. Biorąc pod uwagę koszty budowy podsypki oraz większego ryzyka związanego z posadowieniem skrzyń na podsypce, wydaje się, że w przyszłości popularniejsze staną się falochrony stawiane w postaci zapuszczanych studni. Dodatkową zaletą konstrukcji kesonowych jest niewielkie ryzyko wystąpienia przegłębień wokół budowli oraz możliwość stosowania w gruntach słabych. Wiąże się to ze zwróceniem szczególnej uwagi na właściwości strukturalne budowli i właściwości mechaniczne gruntów oraz problemy związane z zapuszczaniem kesonów czy betonowaniem podwodnym. Innowacyjne projekty są zatem kolejnymi wyzwaniami dla inżynierów, związanych z infrastrukturą portowo-morską i nie stanowią, jak dotąd, ostatecznego rozwiązania w zakresie optymalnego wyboru rodzaju konstrukcji falochronu.
A. Wawrzyńska, Kierunki rozwoju infrastruktury portowo-morskiej na przykładzie falochronów pionowościennych 71 LITERATURA 1. Agerschou H., Planning and design of ports and marine terminals, Thomas Telford Books, London 2004. 2. Bouchet R. i in., New types of breakwaters two projects in Monaco, Proceedings of the International Conference, COPEDEC, Cape Town 1994. 3. Cox R.J. i in., Double walled, low reflection wave barrier, ASCE Proceedings of the 25 th International Conference on Coastal Engineering, Copenhagen 1998. 4. Inspection, Maintenance and Repair of Maritime Structures Exposed to Material Degradation Caused by a Salt-water Environment, PIANC 1990. 5. Kimura K. i in., A slit caisson with half-circle wave chambers and its mechanism of shock pressure reduction, ASCE Proceedings of the International Conference on Coastal Structures 99, Santander 2000. 6. Lee D.S., Hong G.P., Korean experience on composite breakwaters, Proceedings of the International Workshop on Wave Barriers in Deep Waters, PHRI, Yokosuka 1994. 7. Lundgren H., Juhl J., Optimization of Caisson Breakwater Design, ASCE Task Committee, New York 1995. 8. Mazurkiewicz B., Dobrzykowski A., Rozwój budownictwa morskiego, Konferencja Naukowo-Techniczna Sterowanie procesami inwestycyjnymi w budownictwie wodnym i morskim, Szczecin-Międzyzdroje, 17 20 czerwca 1999. 9. Nakamura T. i in., Enhancement of wave energy dissipation by a double-curtain-walled breakwater with different drafts, ASCE Proceedings of the International Conference on Coastal Structures 99, Santander 2000. 10. Negro V. i in., Technological innovations in the conceptual design of vertical breakwaters, ASCE Proceedings of the International Conference on Coastal Structures 99, Santander 2000. 11. Oumeraci H. i in., Classification of breaking wave loads on vertical structures, Journal of Watersways, Ports, Coastal and Ocean Engineering, ASCE, 1993, Vol. 119:WW4. 12. Oumeraci H., Review and analysis of vertical breakwater failures lessons learned, Coastal Engineering, 1994, Vol. 22, s. 3 29. GUIDELINES FOR THE DEVELOPMENT OF PORT AND MARINE INFRASTRUCTURE INCLUDING EXAMPLES OF INNOVATIVE CAISSON BREAKWATERS Summary Development has taking place of innovative techniques to manage risk associated with port and marine structures. Most of the innovations of recent decades were mainly directed to improving hydraulic performance by reduction of wave reflection, overtopping, breaking wave loads and their effects on overall stability of the conformation (superstructure and its foundation). Further new projects also emerged to cope with weak soil conditions. In recent years the innovations have covered further aspects such as the environment and multi-purpose use, but most of all to facilitating construction and reducing construction time, materials and costs.