Баренцево море на протяжении многих лет является регионом активной хозяйственной деятельности и тщательно исследуется [1]. Ледовый режим Баренцева моря изучается с середины прошлого века, и его основные особенности достаточно подробно описаны [2–4]. Наибольший объем исследований посвящен дрейфу айсбергов [4]. Однако специфика движения морского льда (текущая и средняя скорости, траектории в разных частях акватории, изменения в условиях глобального потепления) до сих пор не выявлена, особенно для северной и центральной частей моря, из-за недостатка полевых наблюдений.
Информация о дрейфе льда, в частности о том, какой лед следует ожидать вблизи морских сооружений и судов, каково происхождение и каковы свойства этого льда, имеет существенное практическое значение. Однолетний лед, образующийся в довольно теплых условиях центральной части Баренцева моря, редко представляет опасность для судов и сооружений. Но лед, дрейфующий с севера, обладает совершенно другими свойствами. Он может иметь включения айсбергов, образующихся на севере Шпицбергена или Земли Франца-Иосифа, включать фрагменты многолетнего льда из Северного Ледовитого океана или поля всторошенного льда, аналогичного исследованному вблизи о. Эдж в 2016 г. Толщина ровного двухлетнего льда, наблюдавшегося к югу от 75° с.ш. в 2003 г., составляла 2,20 м [5]. Такой лед может быть очень опасным, что следует учитывать при оценке рисков деятельности в Баренцевом море. Особенно это актуально для Штокманского месторождения и районов новых разработок в восточной части Баренцева моря (Ледовый и Лудловский лицензионные участки), где морской лед может повлиять как на разведочные работы, так и на возможное строительство объектов обустройства. И хотя освоение гигантского Штокмановского газоконденсатного месторождения, как известно, было отложено и ожидается не ранее 2030 г., что, в свою очередь, будет зависеть от мирового нефтегазового рынка, изучение ледового режима на соответствующей акватории остается важной и актуальной задачей.
Формирование торосов и айсбергов
Торосы образуются, когда ровные ледяные поля сжимаются и срезаются движущими силами окружающей среды. Процессы построения тороса (см. рис. 1) сложны, но обычно включают в себя наслоение льда в сочетании с различными изгибами, прогибами или разрушением путем дробления. Полученный в результате торос содержит большое количество кусочков льда различных размеров, которые сложены в случайном порядке. Торосы часто характеризуются как линейные ледяные образования, но на самом деле они извилистые и очень изменчивы по форме. Лед, разрушенный в процессе строительства тороса, создает обломки льда как над, так и под ватерлинией, которая находится в гидростатическом равновесии. Отсюда нагромождения выше линии воды (парус) имеют объем около одной десятой обломков ниже ватерлинии (киль).
Рис. 1. Образование торосов
Центральная часть тороса вдоль ватерлинии часто вновь смерзается, образуя консолидированный слой тороса.
Структурно торосы состоят из блоков (обломков) льда, которые образуются в ходе разрушения ледяных полей при их взаимодействии друг с другом. Как было уже отмечено, у сформировавшегося тороса выделяют три части: парус тороса, киль тороса и консолидированный слой [6]. Парусом называют часть тороса, расположенную над водой, килем — часть, расположенную под водой, а консолидированный слой представляет собой смерзшуюся часть киля тороса, образовавшуюся из погруженных в воду блоков льда в процессе консолидации. Строение тороса схематично изображено на рис. 2 Именно кили торосов, воздействуя в ходе дрейфа в составе ледяного покрова на донный грунт, и производят «выпахивание» дна.
Рис. 2. Структура тороса
Парус тороса хорошо виден и относительно легко профилируется. Он состоит из нескольких кусков льда, сложенных на поверхности льда. Консолидированный слой создается из смерзшихся обломков и/или наслоенного льда. Киль тороса также состоит из большого количества ледяных глыб, но он значительно больше, чем парус.
Торосы классифицируются по следующим признакам:
— возраст ― возраст льда, который составляет торос, будет влиять на его свойства и прочность. Торосы подразделяются на многолетние (т. е. лед возрастом более двух лет) и однолетние. Первые, как правило, намного больше и значительно прочнее, чем однолетние.
— процесс формирования ― торосы подразделяются на торосы сжатия (давления) или торосы сдвига в зависимости от способа формирования.
— местонахождение ― однолетние торосы также подразделяются в зависимости от их местонахождения ― арктические торосы или умеренные торосы (то есть торосы в более умеренном климате).
Айсберг ― массивный отколовшийся от ледника кусок льда нерегулярной формы, выступающий над уровнем моря более чем на 5 м, который может быть на плаву или сидеть на мели [7].
Айсберги распределены на площади, составляющей около 20 % площади Мирового океана; более 90 % их общего количества находится в южном полушарии. Они имеют самые различные формы и размеры. В северных широтах крупные айсберги достигают в поперечнике 200 м и возвышаются над уровнем моря на 25 м; их подводная часть имеет осадку до 200 м. Так как большая часть айсберга находится под водой, его движение почти полностью определяется морскими течениями [8].
Торосы Баренцева моря
Изучение закономерностей и особенностей дрейфа льда в северо-западном регионе Баренцева моря имеет большое значение по причине интереса к освоению перспективных месторождений углеводородов и структур, расположенных в данном районе.
Торосы на северо-западе Баренцева моря образуются при дрейфе льда в южном направлении под воздействием Восточно-Шпицбергенского течения в районы, куда проникают теплые воды Атлантики, так как переходят из региона, где преобладает более холодное течение.
Ледяной язык, простирающийся до о. Медвежий, часто виден на ледовых картах даже в теплые годы, такие как 2016–2018 гг. Натурные наблюдения во время экспедиций на судне «Поларсиссел» в конце апреля 2017 г. и в 2018 г. к северу от о. Медвежий показали, что лед состоял из блинчатого льда и неоднократно включал льдины диаметром до 30 м с торосами толщиной до 4 м. Типичные льдины были исследованы путем бурения и лазерного сканирования, также выполнен ряд механических тестов. Измерения показали, что льдины включали многолетний лед, наряду с однолетним льдом, или, части ледникового льда. Размеры льдин определены с помощью лазерного сканирования. На льдинах видны торосистые образования.
Максимальные скорости дрейфа до 1,5 м/с зарегистрированы вблизи южной оконечности острова Эдж. Скорость дрейфа существенно зависела от фазы полусуточного прилива. Средняя скорость дрейфа изменялась в пределах 0,2–0,4 м/с. Дрейф имеет хаотичную траекторию, с большим количество петель, которая объясняется совместным влиянием прилива и ветра. Штормовой ветер приводил только к кратковременному отклонению дрейфа от генерального направления. Однако движение льда каждый год сильно зависит от синоптической ситуации.
1.2 Модели грунта
Модель линейно деформируемого полупространства
Недостатки модели Винклера привели к разработке модели линейно деформируемого полупространства, которая до настоящего используется в нормативных документах. В основу модели положен закон Гука ― линейная зависимость между напряжениями и деформациями и представления об идеальной упругости материала ― полное восстановление деформаций при снятии нагрузки, т. е. в условиях одноосного простого сжатия или растяжения.
Для грунтов в свою очередь характерно наличие остаточных деформаций. Поэтому модель линейно деформируемого полупространства может применяться только на этапе однократного нагружения грунтовой среды без разгрузки, что для большинства практических случаев статических нагрузок и происходит в действительности.
При использовании модели линейно деформируемого полупространства задача сводится к решению системы уравнений, в состав которой входят статические уравнения, геометрические соотношения и физические уравнения.
В общем случае для плоской задачи из восьми уравнений определяются неизвестные три компоненты напряжений (σx, σz, τxz), три компоненты деформаций (εx, εz, γxz) и две компоненты перемещений (U, W). Для условий пространственной задачи таких уравнений и неизвестных будет 15.
Модель упругопластической среды
Модель представляет собой объединение модели линейно деформируемого полупространства и модели среды теории предельного равновесия, что предполагает наличие в области среды линейно деформируемого полупространства и области среды теории предельного равновесия.
Уравнения равновесия должны выполняться по всей грунтовой среде, уравнения совместимости ― только в упругой области, а уравнения напряжений только в области предельного равновесия.
Данная модель грунтовой среды лучше всего представляется на примере одноосного сжатия (рисунок 3).
Рис. 3
В этом случае после начального этапа линейных деформаций образец грунта переходит при σпр в предельное состояние. Основным условием предельного равновесия применяют условие, сформулированное Кулоном, по которому на площадках возможного начального скольжения касательные напряжения связаны с нормальными напряжениями зависимостью:
Зависимость Кулона является частным случаем появившейся позднее теории прочности Мора, который принял, что сопротивление сдвигу по какой-либо площадке является функцией нормального напряжения. Из-за этого условия данную модель зачастую также называют моделью Кулона-Мора.
Данная модель рекомендуется для приближенной оценки напряженно-деформированного состояния. Она учитывает основные свойства грунта, такие как упругое поведение при малых нагрузках, малая жесткость материала при разрушении, условие разрушения и упругая разгрузка после течения.
Модели пропахивания льдом борозд
Чаще всего торос или айсберг аппроксимируется прямоугольным параллелепипедом. Один из исследователей, Астафьев В. Н. [4], занимавшийся изучением пропахивания льдом борозд, предложил свою расчетную схему внедрения тороса в грунт, которая представлена на рис. 4. При определении глубины внедрения тороса в грунт применен как энергетический, так и силовой подход. Глубина внедрения тороса в грунт определялась как сумма: первое слагаемое это глубина внедрения при переходе кинетической энергии тороса в работу по преодолению сил сопротивления грунта, второе слагаемое ― добавочное внедрение в грунт при воздействии на торос ледяного поля.
Недостатками предложенной расчетной схемы являются:
— при определении силы сопротивления грунта была принята гипотеза плоских сечений, которая недостаточно точно отражает процесс взаимодействия стенки с грунтом; — не было учтено влияние выпора грунта;
— одновременное действие двух механизмов внедрения энергетического и силового невозможно: тот механизм, по которому глубина внедрения больше, и будет определять процесс внедрения;
— передняя стенка была принята вертикальной, что не соответствует натурным наблюдениям;
— не было учтено то, что параметры, определяющие процесс внедрения тороса в грунт, носят вероятностный характер, поэтому при оценке максимальной возможной глубины внедрения тороса в грунт значение массы тороса, его скорости и направления дрейфа определялось из ряда наблюдений эвристическим путем.
Поломошнов A. M. также использовал расчетную схему внедрения тороса в грунт аналогичную, представленной на рис. 4 а. Поломошнову A. M. удалось учесть влияние выпора грунта на силу сопротивления грунта. Кроме того, процесс внедрения тороса в грунт был рассмотрен с вероятностных позиций. Используя эту модель, им были получены максимальные глубины внедрения торосов в грунт для любой наперед заданной вероятности.
Недостатки предложенной Поломошновым A. M. расчетной схемы следующие:
— при определении силы сопротивления грунта была принята гипотеза плоских сечений.
— передняя стенка модели, как и у Астафьева В. Н., была принята вертикальной.
Беккером А. Т. и Трусковым П. А. [9] была предложена схема внедрения тороса в грунт (рис. 4 б) тоже исходя из энергетического подхода.
В ней был реализован детерминированный подход аналогичный, примененному Астафьевым В. Н. Улучшения расчетной схемы заключались в том, что при определении силы сопротивления грунта было применено решение Соколовского В. В. взаимодействия передней стенки с грунтом. Хотя в расчетной схеме, предложенной Беккером А. Т. и Трусковым П. А., допускалось, что передняя стенка тороса может иметь различный угол наклона, но они не смогли определить, какой угол отражает реальные поверхности торосов. Поэтому в оценочных расчетах она принималась вертикальной, со всеми недостатками, изложенными выше. Так как предложенная модель внедрения тороса в грунт носит детерминированный характер, то при оценке максимальной возможной глубины внедрения тороса в грунт значения массы тороса, его скорость и направление дрейфа определялось из ряда наблюдений эвристическим путем.
Рис. 4. Схема внедрения тороса в грунт
а) Астафьев В. Н., 1985; б) Беккер А. Т. и Трусков П. А., 1989
Позже эта расчетная схема была уточнена: был учтен процесс выталкивания тороса вверх (при потере энергии) при внедрении его в грунт.
Также на основе своей расчетной схемы была получена зависимость длины борозды для различных значений коэффициентов лобового сопротивления ледяного образования сцепления грунта.
Были попытки и других видов аппроксимации дрейфующих торосов. Авторы статей предлагали принимать нижнюю часть тороса в виде полусферы и пирамиды. Для уточнения силы сопротивления грунта горизонтальному движению тороса проводились многочисленные опыты по физическому моделированию процесса, при этом проверялись модели различной формы.
Применялись и другие расчетные схемы, вплоть до представления грунта как жидкости и взаимодействия торос-грунт с позиции гидромеханики.
Также была представлена схема внедрения дрейфующего тороса в грунт Сурковым Г.А 1995; Поломошнов А. М. и др., 1999; Сурков Г. А., 2000.
Рассмотренные расчетные методы обладают существенными недостатками. Прежде всего, это большая чувствительность конечного результата от принятых расчетных схем и их параметров. Кроме того, отсутствие надежного теоретического обоснования привело к тому, что расчетные способы в основном используются только для определения возможной максимальной глубины внедрения торосов и айсбергов в грунт. Однако при этом остается неизвестной вероятность появления данной величины.
Устранить эти недостатки можно только на базе вероятностного моделирования [4].
Также к моделям пропахивания можно отнести и модель Наумова М. А., который занимался подробным исследованием ледовой экзарации. Изучив ледовую экзарацию, Наумов М. А. применил ее для создания собственной модели пропахивания торосом борозды, которая может быть учтена при проектировании и строительстве подводных трубопроводов.
Для получения расчетной глубины ледовой экзарации в районе трассы проектируемого трубопровода необходимо либо иметь данные наблюдений за продолжительный период в объеме, достаточном для применения стандартных статистических процедур (что в настоящее время на практике нереализуемо по причине редкой повторяемости актов экзарации), либо разрабатывать специальные методики, позволяющие посредством математического моделирования определять расчетные геометрические параметры (в частности, глубину) борозд выпахивания на дне интересующей акватории на основе анализа лишь текущего состояния морского дна. Важно отметить, что соответствующие задачи достаточно тесно связаны с задачами оценки риска.
Литература:
- Адров Н. М. Исследования Баренцева моря за 1000 лет. Ч. 1: От начала тысячелетия до первой половины ХХ века / Н. М. Адров. –Мурманск: МГТУ, 2002. — 64 с.
- Зубакин Г. К. Ледяные образования морей Западной Арктики / Г. К. Зубакин. — СПб.: ААНИИ, 2006. — 272 с.
- Миронов Е. У. Ледовые условия в Гренландском и Баренцевом морях и их долгосрочный прогноз / Е. У. Миронов. — СПб.: ААНИИ, 2004. — 320 с.
- Бузин И. В. Айсберги и ледники Баренцева моря: исследования последних лет. Ч. 1: Основные продуцирующие ледники, распространение и морфометрические особенности айсбергов / И. В. Бузин, А. Ф. Глазовский, Ю. П. Гудошников и др. // Проблемы Арктики и Антарктики. — 2008. — № 78. — С. 66–80.
- Бузин И. В. К вопросу о распространении многолетних льдов в Баренцевом море во второй половине ХХ — начале XXI вв. // Проблемы Арктики и Антарктики. — 2009. — № 3 (83). — С. 114–126.
- Астафьев В. Н., Сурков Г. А., Трусков П. А. Торосы и стамухи Охотского моря. СПб.: Прогресс-Погода, 1997. — 184 с.
- Бушуев А. В., Волков Н. А., Лощилов В. С. Атлас ледовых образований. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 142 с.
- Богородский В. В., Гаврило В. Л. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат. 1980. 164 с.
- Беккер А. Т., Трусков П. А. Воздействие дрейфующих торосистых образований льда на морское дно // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. — Л.: Энергоатомиздат, 1989. — с.98–103.
