Введение в ледотехнику

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

С.И. Рогачко

ВВЕДЕНИЕ В ЛЕДОТЕХНИКУ

11
0,49

Рис. 7.11. Общий вид и план надводной части стамухи

12

20

18

16

3

17

15
15

33

34
13

32

35

31

4
30

5

6

29

19
2

21

0,47

2,39

2,90

1,32

0,62

3,47

1,79
1,79

3,56

1,56
1,64

1,57

3,41

2,8

1,59
2,97

0,59

0,47

3,5

1,97
0,62

3,37

XII

X

VII
VII
VII

V

II

Ii

22

23

24

28

31

14

9

25

Ст

27

8

26

7

10

+ 077
0,

+ 3
0,

+ 362
0,
+ 362
0,
+ 362
0,

+0,834

+ 505
0,

+ 505
0,

3,30

2,30

1,95

4,12

3,92

4,13

0,60

1,74

4,92

3,64

0,60

0,47

0,61

0,64

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0
2,0

3,0

Альтаир-МГАВТ

Москва

2009

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

С.И. Рогачко

ВВЕДЕНИЕ В ЛЕДОТЕХНИКУ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Альтаир-МГАВТ

Москва

2009

Рогачко Станислав Иванович
Введение в ледотехнику

Учебное пособие

Редактор: Малахов М.П.

Компьютерная верстка: Михайлик Е. В.

Подписано в печать «__» ___________ 2009

Формат 60х90/16. Объем  __п.л.

Заказ №___________. Тираж. 100экз.

Московская государственная академия водного транспорта

117105, г. Москва, Новоданиловская наб., д.2, корп. 1

УДК 554.67

С.И. Рогачко. Введение в ледотехнику. Учебное пособие. Альтаир
МГАВТ, 2009г. – с. 79. илл.20., табл. 10.

Написано на основе опыта преподавания ледовых нагрузок  на морские и 

речные гидротехнические сооружения в Московской государственной академии водного транспорта и в Московском государственном строительном университете соответственно преподавателями кафедр «Водные пути и порты» и 
«Водное хозяйство и морские порты» и  результатов экспериментальных исследований прочностных свойств и размеров ледовых образований, ледовых нагрузок и локальных давлений льда, выполненных при участии автора в Охотском, Карском и Баренцевом морях, а также на одном из пресноводных озер.

Изложены элементарные сведения о речных и морских типах ледовых 

образований, их размерах и прочностных характеристиках, а также основные 
методы исследования ледовой ситуации в районах будущего строительства 
гидротехнических сооружений в процессе инженерных изысканий. В соответствии с рекомендациями действующих нормативных документов, в пособии 
также приведены расчетные зависимости по определению ледовой нагрузки на 
проектируемые сооружения. 

Для студентов вузов специальности 270104 «Гидротехническое строи
тельство» по дисциплинами  Гидрология, Речные ГТС, Портовые сооружения.

Рецензенты: зав. кафедрой ВХ и МП МГСУ, профессор, д.т.н. Ю.П. 

Правдивец, профессор кафедры ВХ и МП МГСУ, д.т.н. И.Г. Кантаржи.

Рассмотрено и рекомендовано к изданию на заседании кафедры (прото
кол № 40 от  07.02.2007г.

Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом МГАВТ.

Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать 

материалов несут автор и сотрудники кафедры академии, выпускающие учебно-методические материалы 

© МГАВТ, 2009

©Рогачко С.И., 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .

1. ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ЛЬДА НА 

ПРЕСНОВОДНЫХ И МОРСКИХ АКВАТОРИЯХ .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

1.1. Классификация льдов .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

1.2. Речной лѐд .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

1.3. Морской лѐд .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  

2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ .  .  .  .  .  .  .  .  .

2.1. Ровные ледяные поля .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

2.2. Торосы .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

2.3. Айсберги . .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

3. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЕДОВЫХ 

ОБРАЗОВАНИЙ .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

3.1. Ледяные поля .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

3.1.1. Строение льда .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

3.1.2. Солѐность льда .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

3.1.3. Пористость и плотность льда .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

3.1.4. Прочностные свойства льда .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

3.1.5. Метрические характеристики ровных ледяных полей .  .  .  .  .  .  .  .

3.2. Торосистые образования .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

3.2.1. Размеры торосов .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

3.2.2. Прочностные характеристики торосов.   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

3.2.3. Исследования интегральной прочности торосистых образований .

4. РАСЧЕТЫ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК. .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  .  .

4.1. Ледовые нагрузки от ровных ледяных полей .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

4.2. Ледовые нагрузки от торосов .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

4.3. Локальное ледовое давление.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  

4

7

7

7

11

16

16

18

21

25

25

25

25

33

34

35

39

40

40

47

50

56

56

62

67

71

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основоположником учения о всех видах льдов на нашей планете является 

выдающийся русский ученый М.В. Ломоносов, который в своих трудах зало
жил основы ледоведения. Эта наука состоит из двух основных разделов – ледо
ведения водоемов и ледоведения материков. В первом из них изучается возник
новение, развитие, разрушение и исчезновение морских, озерных и речных 

льдов, а второй раздел представляет гляциология, историческое оледенение и 

мерзлотоведение. 

Ледотехника, как наука вытекает из ледоведения и связана непосредст
венно с практической деятельностью человека в части использования льда и 

ледяных покровов, защиты инженерных сооружений от силового воздействия 

ледовых образований, строительства изо льда, плавания во льдах, прогнозиро
вания ледовых ситуаций.

Пионерами в исследованиях свойств льда и в разработках методов борь
бы с ним были такие выдающиеся русские ученые, как Д.И. Менделеев, адми
ралы А.В. Колчак, А.Н.Крылов, С.О. Макаров.

Гидротехнические сооружения, которые возводятся на реках и морях, в 

процессе их эксплуатации подвергаются силовому воздействию различных ти
пов ледовых образований. Достоверное определение ледовых нагрузок на про
ектируемые гидротехнические сооружения с учетом различных расчетных сце
нариев предопределяет их безаварийную работу в течение всего срока службы. 

Величина и характер ледовых нагрузок на гидротехнические сооружения зави
сят от типов ледовых образований, их размеров и прочностных характеристик. 

С позиций речного гидротехнического строительства наибольший практиче
ский интерес представляет пресный лед, который формируется на реках, лима
нах и озѐрах, а для морской гидротехники, включающей строительство морских 

портов, а также сооружений на континентальном шельфе - морской лед бухт, 

заливов и морей.

Расчетам ледовых нагрузок при проектировании гидротехнических со
оружений предшествуют инженерные изыскания. Анализ результатов таких 

изысканий позволяет достоверно назначать расчетные параметры ледовых об
разований в каждом районе будущего строительства. Силовое воздействие, на 

проектируемые гидротехнические сооружения, определяется с помощью реко
мендаций нормативных документов в соответствии с расчетными случаями. 

Рекомендации нормативных документов разрабатываются на основании анали
тических и экспериментальных исследований, которые проводятся как в лабо
раторных, так и в натурных условиях. В тех случаях, когда при проектировании 

гидротехнических сооружений, в нормативных документах отсутствует расчет
ный сценарий, ледовые нагрузки определяются на основании моделирования в 

процессе научного сопровождения того или иного проекта.

Цель настоящего учебного пособия состоит в том, чтобы ознакомить бу
дущих инженеров-гидротехников с типами ледовых образований, их метриче
скими и прочностными характеристиками, а также существующими известны
ми методами расчета ледовых нагрузок на речные и морские гидротехнические 

сооружения, а также на опоры мостов.

В настоящей работе использовались материалы изысканий ледовых обра
зований, которые были получены под руководством и при участии автора на 

шельфе Охотского, Карского и Баренцева морей в районах разведанных место
рождений углеводородов. При этом были разработаны и внедрены новые мето
дики исследований ледовых образований, как в лабораторных, так и в полевых 

условиях. В пособии также приведены методы расчета ледовых нагрузок на ле
достойкие гидротехнические сооружения, которые содержатся в рекомендаци
ях, действующих в нашей стране нормативных документах. Методы расчета 

ледовых нагрузок от воздействия полей торошения разработаны на основании 

результатов крупномасштабных экспериментальных исследований. Такие ис
следования при участии автора проводились в заливах Охотского моря на севе
ре острова Сахалин, а также на пресноводном озере в Подмосковье совместно с 

сотрудниками Отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских 

нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений Московского государ
ственного строительного университета.

В пособии также изложены элементарные сведения о процессах образо
вания льда на акваториях рек, озѐр, водохранилищ и морей, а также о типах ле
довых образований. Автор постарался представить будущим инженерам
гидротехникам те ледовые образования, которые в состоянии дрейфа представ
ляют наибольшую опасность для проектируемых гидротехнических сооруже
ний, как речных, так и морских. 

Многолетние исследования воздействия торосов на сооружения позволи
ли разработать метод расчета ледовых нагрузок с учетом размеров и интеграль
ной прочности составляющих частей торосистых образований. Этот метод рас
чета был внедрен в ведомственный нормативный документ Министерства 

Транспорта Российской Федерации.

Многочисленные экспериментальные исследования были проведены в 

рамках международного  проекта в натурных условиях по внедрению жестких 

штампов различной площади в естественный ледовый покров и в модели кон
солидированной части торосов с различной пористостью. Результаты этих ис
следований позволили разработать рекомендации по расчету максимальных 

значений локального давления льда на опорные части проектируемых сооруже
ний, которые были также включены в ведомственные нормы для использования 

в проектной практике.

Таким образом, данное учебное пособие позволит будущим специалистам 

использовать изложенные методы расчета ледовых нагрузок в курсовых и ди
пломных проектах в процессе учѐбы в высшем учебном заведении.

Автор выражает глубокую благодарность своим бывшим сотрудникам и 

соавторам в Московском государственном строительном университете, кото
рые принимали участие в проведении исследований, как в натурных, так и в ла
бораторных исследованиях на протяжении многих зимних периодов, а также 

иностранным коллегам. Имена этих сотрудников и иностранных коллег пере
числены в списке литературы.

1. ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ЛЬДА НА ПРЕСНОВОДНЫХ 

И МОРСКИХ АКВАТОРИЯХ

1.1.
Классификация льдов

Согласно классификации льдов, предложенной И.С. Песчанским [13], они 

делятся на семь классов.

1. Атмосферные льды – снег, иней, град и гололед.

2. Поверхностные льды – на акваториях океанов, морей, озер, рек и не
больших водоемов.

3. Внутриводные льды – первичные ледяные кристаллы, образующиеся в 

толще воды и на дне водоѐмов.

4. Материковые льды – ледники, льды многолетней мерзлоты, погребен
ные льды.

5. Мерзлота – образуется в литосфере.

6. Погребенные льды – скрыты от дневной поверхности толстым слоем 

грунтовых отложений.

7. Искусственные льды – созданные человеком, с помощью различных 

технологий.

Наибольший интерес, в соответствии с целью данного учебного пособия, 

представляют поверхностные льды акваторий, которым в настоящей работе 

уделено основное внимание. 

Лед - это одна из форм агрегатного состояния воды, представляющая со
бой твердое кристаллическое тело. Процессы формирования морского и речно
го льда отличны, поскольку в морской воде, как известно, содержится значи
тельное количество солей. 

1.2. Речной лед

Образование ледяного покрова в пресных водоемах зависит от темпера
туры замерзания воды, температуры ее наибольшей плотности и от скрытого 

тепла льдообразования. Пресная вода рек, озер, водохранилищ и пресноводных 

лиманов содержит очень мало солей и, по этой причине, ее физические свойст
ва практически не отличаются от свойств дистиллированной воды, которая за
мерзает при температуре 0 °С и достигает наибольшей плотности при темпера
туре 4 °С. Отдача тепла водой с ее поверхности происходит благодаря контакту 

с холодными воздушными массами. С потерей тепла увеличивается плотность 

поверхностных слоѐв воды, которые опускаются до глубин, где температура 

воды равна изначально температуре поверхностного слоя. Таким образом, на
чинается процесс конвекции (перенос температуры), которой за определенное 

время достигает донной поверхности при условии, что температура придонного 

слоя воды выше 4 °С. Последующее охлаждение воды происходит после того, 

как весь объем того или иного водоема достигнет максимальной плотности. 

После этого циркуляция потока донного тепла к поверхности становится мини
мальной, поскольку он характеризуется лишь молекулярной теплопроводно
стью воды. Поэтому в дальнейшем поверхностный слой воды быстро охлажда
ется и замерзает при температуре воздуха ниже 0 °С. На начальную фазу ледо
образования, на пресноводных акваториях, влияет наличие ветрового волнения 

на поверхности воды и течений. В дальнейшем рост ледяного покрова происхо
дит снизу с замедлением во времени из-за небольшой теплопроводности льда. 

Рост толщины льда существенно замедляется при наличии снежного покрова на 

его поверхности. Таковы основные особенности замерзания пресной воды. 

Пресноводные льды подразделяются на речные и озерные, а также льды не
больших водоѐмов. Они существуют только в зимние периоды года.

Поверхностные пресноводные льды подразделяются [13]:

а) на поверхностный водный лед, образующийся из чистой воды без при
месей других, образовавшихся ранее видов льда, при понижении температуры 

поверхностного слоя до точки замерзания, состоит из столбчатых кристаллов 

различной толщины;

б) на поверхностный водно-снеговой лед, образующийся из снега, выпав
шего на поверхность воды или находящегося на ледяном покрове и насыщенного водой, имеет кристаллическую структуру с большим количеством пор;

в) на поверхностный водно-шуговой лед, образующийся при замерзании 

воды, содержащий шугу, он менее прозрачен по сравнению с водным льдом и 

имеет неправильную структуру.

На акватории пресноводных водоемов в течение зимних периодов возни
кает целый ряд ледовых образований, которые имеют свои особенности.

Битый лед – льдины неправильной формы и размеров, образующиеся при 

разрушениях заберегов и вскрытиях рек в процессе ледохода.

Забереги – прибрежные полосы льда, окаймляющие берега рек, озѐр и во
дохранилищ в начале ледостава при свободных ото льда акваториях. Специали
сты различают первичные забереги, образующиеся непосредственно у берегов, 

наносные забереги при примерзании льда и шуги в период ледохода, а также 

остаточные забереги весной при таянии льда. Их площадь на озѐрах и водохра
нилищах может прирастать благодаря дрейфующим льдинам, прижимаемых к 

берегу ветрами.

Зажор - скопление шуги и отдельных льдин в русле реки, которое 

уменьшает живое сечение рек и приводит к повышению уровня воды. Зажор 

состоит из «головы» (участок на месте его первоначального образования) и 

«хвоста» (участок в его оконечности).

Закраина – открытая акватория вдоль берегов, возникающая перед вскры
тием ледяного покрова в период таяния льда и отхода его от берегов при повы
шении уровня воды.

Затор – нагромождение поверхностного льда в русле реки, которое со
провождается существенным уменьшением живого сечения реки и повышени
ем уровня воды в реке выше затора по течению.

Ледоход – дрейф по реке различных типов ледовых образований в осен
ние и весенние периоды времени. Следует отметить, что в южных регионах

нашей страны после резких оттепелей и в течение зимы также наблюдаются ле
доходы.