Цунами-гаситель

Цунами-гаситель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, в частности к устройствам защиты от воздействия на побережья разрушительных волн, и может быть использовано для ослабления волн цунами с эффективностью, находящейся в прямой зависимости от их интенсивности.

Цунами является одним из самых разрушительных природных явлений: масштабы причиняемых бедствий и численность человеческих жертв не только страшны сами по себе, но подобные явления своей потенциальной опасностью создают постоянную тревогу у населения очень многих прибрежных регионов мира, особенно если в опасной зоне расположены другие угрожающие катастрофами объекты, как, например, АЭС.

Сила самых разрушительных цунами-волн настолько велика, что во многих весьма авторитетных источниках информации утверждается невозможность эффективной защиты от них. И к этому можно отнестись с пониманием.

В то же время с учетом, с одной стороны, должной ответственности мирового сообщества за судьбу населения потенциально опасных территорий, с другой стороны, - великих технических, экономических и интеллектуальных возможностей современной цивилизации представляется бесспорной необходимость приложения всех усилий на поиск и самое широкое практическое использование реальных технических решений для надежной защиты таких территорий от природных и техногенных катастроф. И такие попытки предпринимаются.

Известны предлагаемые конструкции сооружений для ослабления волн, в т.ч. и цунами, в виде прибрежных и береговых дамб, пневматических волноломов, прибрежных систем с деформируемыми объемами в виде предметов из пористых материалов либо газовых баллонов с эластичными стенками (патент РФ №2147060, 2006 г.), а также комплексов для гашения энергии волн с их отражением фронтальными пластинами на треугольных опорных конструкциях (патенты US 4818141 А, 1989 г. и РФ №2147641, 1998 г.). Все эти устройства пригодны для защиты от обычных ветровых волн и зыби, когда их скорость и ударная сила не превосходят определенных критических значений. Для цунами с несоизмеримой разрушительной силой эффективность такой защиты явно не достаточна. Более того, целостность самих сооружений при воздействии таких волн не гарантирована.

Известно устройство для уменьшения разрушительного действия цунами (патент РФ №2310708, 2005 г.), принятое за прототип заявляемого изобретения.

Данное устройство включает в себя береговое сооружение в виде насыпей, внутри которых выполнены туннели с-образной формы, входными и выходными отверстиями ориентированные перпендикулярно в сторону береговой линии, причем длина нижних туннелей и их сечения превышают соответствующие параметры верхних частей, нижняя часть туннелей расположена на уровне моря, а верхняя возвышается над ним, при этом кривизна формы туннеля обеспечивает поворот вектора скорости входящего в его нижнюю часть потока на 180° при выходе потока через верхнюю часть туннеля.

Следует отметить, что сама ключевая идея использования энергии волн для их же разрушения является очень ценной и, вероятно, самой плодотворной в решении рассматриваемой проблемы: она, например, положена в основу конструкции пневмогидравлического энергонезависимого волнолома (патент РФ №2461681, 2012 г.) Оптимальным вариантом было бы сооружение, способное изменять направление хода опасных волн в противоположную сторону, но это, конечно же, не реально, во всяком случае для мощных волн цунами.

Принятое за прототип устройство имеет, однако, ряд недостатков, препятствующих его практическому использованию.

Во-первых, размещение защитных сооружений на берегу резко снижает эффективность их работы, когда вся энергия цунами уже перешла в энергию поверхностной волны, подняв ее на высоту, во много раз превосходящую высоту самих сооружений. При этом, чтобы обеспечить гасящему основную волну потоку необходимое опережение, пришлось бы размеры туннелей и насыпей выполнить очень большими, что помимо крупных затрат потребует застроить ими обширные драгоценные площади морских побережий, навсегда испортив к тому же их природный ландшафт.

Во-вторых, соотношение площадей поперечного сечения туннелей и размера всего фронта защитных сооружений не обеспечивает необходимую относительную величину гасящего потока и, следовательно, основная ударная мощь волны сохранится, к тому же последняя способна разрушить и саму обычную насыпь при ее, естественно, слабой конструкции.

В-третьих, наличие разрывов между насыпями позволит сконцентрированным в них потокам обрушиться всей мощью на защищаемые объекты, по пути размывая боковые поверхности насыпей, а сносимые потоком фрагменты защитных сооружений усилят разрушительный потенциал цунами.

Основной задачей заявляемого изобретения является создание надежного защитного устройства от волн цунами, в котором указанные выше недостатки отсутствуют.

При решении этой задачи, сохраняя принцип гашения волн их же энергией, использованы новые подходы исходя из специфики распространения волн цунами на морском шельфе. С учетом отличия их динамики от поведения обычных волн найдены адекватные способы их разрушения, позволившие создать эффективный цунами-гаситель, имеющий каналы для ускорения гасящего потока и устройство для его реверса, отличающийся тем, что он согласно изобретению создан в подводном исполнении, оснащен сжимающими поток дефлекторами, его каналы выполнены с плотным их расположением, например, в виде пакетов труб большого диаметра, а реверсирующее устройство выполнено в виде открытого дефлектора.

Размещение устройства на заглубленном склоне дна, где начинают свой подъем опасные волны цунами, позволяет отобрать и использовать энергию «придонной» части ударной волны, сконцентрированной в толще воды шельфовой зоны.

Наличие сжимающих дефлекторов увеличивает размер захватываемого фронта волны и за счет концентрации потока наращивает его скорость, а следовательно, и энергию. Сохранению возросшей энергии способствуют очень малое лобовое сопротивление торцов каналов и создаваемое их стенками препятствие от ее рассеяния в окружающее пространство, в то время как значительная доля энергии остальной части ударной волны диссипирует на образование вихрей за дефлекторами и подъем поверхностной волны.

Открытый реверсирующий дефлектор образует за каналами общий мощный поток, направляя его навстречу прямой ударной волне.

Устройство цунами-гасителя поясняется чертежами: на фиг.1 показано его продольное сечение, на фиг.2 - схематический вид зоны гашения цунами.

Цунами-гаситель состоит из расположенного на морском дне блока каналов 1, при этом в случае его выполнения в виде пакета круглых труб каналами являются как их внутреннее, так и внешнее - межтрубное - пространство. Со стороны моря к торцу блока каналов 1 примыкают сжимающие дефлекторы 2, верхний усилен ребрами жесткости 3, нижний опирается на донное основание, предварительно спрофилированное с его упрочнением против размыва, внешняя кромка этого дефлектора имеет анкерные крепления. К другому торцу блока - со стороны берега - примыкает реверсирующий дефлектор 4, имеющий желобчатую форму и усиленный опорными конструкциями 5 с анкерными креплениями.

Работа цунами-гасителя иллюстрируется на схематическом виде (фиг.2).

Основная энергия цунами, даже в глубоководной зоне, сосредоточена в приповерхностной толще воды (см. Кафтанов Ю.В. Специальные функции математической физики, § 2. Математическая модель, описывающая поведение цунами, с.44, § 5. Модель распространения волн цунами, с.107. Издательство: X. «Новое слово», 2009). На подходе к шельфу вся она, за исключением потерь, связанных с перемещением водной массы, концентрируется при прохождении над шельфовом склоном дна и мощным фронтом передается на мелководье. В обычных естественных условиях именно здесь поднимается гигантская волна, стремительно накатывающаяся на побережье. И чем короче путь до берега, тем с большей силой она обрушивается на него.

Если же на границе мелководья установить предлагаемый цунами-гаситель, то весь фронт волны, достигнув его, разрежется на две зоны: нижняя, дополнительно сжимаясь дефлекторами 2, сформирует ускоренный поток через каналы 1, который с необходимым опережением достигнет реверсирующего дефлектора 4 и повернет навстречу потоку верхней зоны фронта волны. Над местом встречи этих двух сопоставимых по мощности потоков поднимется громадная водная стена, которая, однако, обладая незначительной горизонтальной скоростью, сразу же разрушится, образуя две вторичные волны (они показаны штрихпунктиром): одна из них пойдет в сторону открытого моря, навстречу волнам цунами, вторая направится к берегу. Но это уже будет обычная поверхностная волна с умеренными, не сопоставимыми с параметрами цунами-волны размерами и скоростью перемещения по мелководью. При необходимости, на ее пути можно предусмотреть дополнительные известные волноломы, например выше упомянутые пневмогидравлические (патент РФ №2461681, 2012 г.), которые к тому же надежно защитят берег и от обычной волновой эрозии.

Необходимо особо отметить, что при выше описанной встрече фронтов нижний слой прямого потока (на фиг.2 показан утолщенными стрелками), не сталкиваясь с гасящим, что обеспечено более развернутой конструкцией дефлектора 4, дойдет до последнего, повернется им в противоположную сторону и по каналам 1 уйдет в сторону моря. Этот эффект дополнительно уменьшит прямой удар цунами и даже в некоторой степени ослабит очередную волну.

Ребра жесткости 3 и опорные конструкции 5, которыми в расчете на воздействия большой ударной силы снабжены дефлекторы 2 и 4 заявляемого устройства, примут на себя опасные механические нагрузки. При необходимости оба сжимающих дефлектора 2 могут быть усилены дополнительными взаимными связями. Контактирующие с морской средой поверхности должны быть защищены от коррозии и обрастания.

Конструкция цунами-гасителя, по мнению автора, является универсальной: для удобства проектирования таких сооружений с привязкой к конкретной местности и их промышленного изготовления они могут быть разработаны и представлены определенным размерным рядом.

Создание и установка предлагаемых цунами-гасителей, конечно же, связаны с большими затратами, но поставленная цель оправдывает эти затраты, которые едва ли сопоставимы с потенциальным ущербом от воздействия цунами, не говоря уже о возможных человеческих потерях. И эта цель достижима, так как подобные сооружения способны свести к минимуму опасность этой практически непредсказуемой природной стихии, сохранив при этом естественный природный ландшафт и условия для экосистем прибрежной зоны.

Цунами-гаситель, имеющий каналы для ускорения гасящего потока и устройство для его реверса, отличающийся тем, что он, созданный в подводном исполнении, оснащен сжимающими поток дефлекторами, его каналы выполнены с плотным их расположением в виде, например, пакетов труб большого диаметра, а реверсирующее устройство выполнено в виде открытого дефлектора.