Река меняет русло: инженеры проектируют суда, возвращающие глубину

Фото: Пресс-служба МАИ / Архив

На карте судовой ход может оставаться прежним, хотя на самой реке капитану уже приходится внимательнее следить за глубиной. Течение переносит песок и ил, на дне появляются мелководные участки, и судну с большой осадкой становится труднее пройти привычным маршрутом. Чтобы восстановить нужную глубину, на реку выходит дноуглубительный флот. Одно из его судов — землесос: он забирает грунт со дна и передаёт его на берег или в специальную баржу. Инженерам предстоит заставить работать вместе грунтозаборное устройство, насос, трубопроводы и системы, удерживающие судно на течении.

Такой землесос проекта 4395 разработало ростовское конструкторское бюро «Стапель». Судно длиной 54 метра способно разрабатывать грунт на глубине до 10 метров. По этому проекту построили серию землесосов для разных речных бассейнов: в июне 2024 года бюро сообщило о сдаче «Тобола» для Обь-Иртышского бассейна, а в октябре заказчик принял «Александра Логачёва» для Канала имени Москвы.

Кто проектирует землесосы и почему сегодня это особо перспективно, рассказываем в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Почему глубину приходится возвращать?

Речной рельеф постоянно меняется. Течение подхватывает частицы грунта, переносит их и откладывает там, где скорость воды снижается. На поворотах и перекатах могут образоваться участки, глубина которых отличается от показанной на старом промере. Для судоходства важна глубина не «в среднем по реке», а на конкретном судовом ходе и при конкретном уровне воды. Если под килем остаётся слишком мало пространства, судну приходится уменьшать загрузку, ждать подъёма воды или выбирать другой путь.

Перед дноуглублением специалисты измеряют рельеф дна и определяют участок, на котором требуется снять грунт. Затем рассчитывают объём работ и отметку, до которой нужно углубить дно. После работы делают новые промеры: они показывают, достигнута ли заданная глубина. Такой порядок помогает убирать грунт там, где он мешает проходу судов, и понимать, как изменился судовой ход.

У дноуглубителей есть ещё один вопрос: куда отправить извлечённый грунт. Его можно загрузить в шаланду — баржу для перевозки грунта — или передать по трубопроводу к предусмотренному месту размещения. Выбор зависит от состава донных отложений, расстояния и условий на берегу. Землесос проектируют с учётом всего маршрута грунта: от места забора на дне до последнего участка трубы или борта шаланды.

Как появились землесосы

Первые дноуглубительные машины решали задачу понятным способом: зачерпывали грунт и поднимали его из воды. В конструкции использовали ковши, черпаки и механизмы, напоминавшие непрерывную цепь ёмкостей. Ковш опускался на дно, захватывал часть отложений, поднимался и выгружал содержимое. Работа требовала не только силы механизма, но и точного перемещения плавучей машины: чтобы обработать всю полосу, её приходилось постепенно сдвигать вдоль участка. Механические землечерпалки сохранились и в дальнейшем — для некоторых грунтов такой способ забора удобен до сих пор.

В XIX веке развитие паровых машин и насосов открыло другой путь. Инженеры научились поднимать грунт вместе с водой: насос создавал поток, который увлекал частицы со дна в трубу. Полученную смесь назвали пульпой. Теперь грунт можно было не только поднять на борт, но и передать по трубопроводу дальше, например к берегу. Вместе с новым способом забора возникла новая инженерная задача: подобрать насос и трубы так, чтобы частицы не оседали по пути и поток доходил до места выгрузки.

К концу XIX века землесосные работы уже становились предметом отдельных инженерных исследований. В России работы, проведённые в 1889–1890 годах в портах Либавы и Виндавы, описал инженер Владимир Тимонов. Его труд включал не только сведения о выполненном дноуглублении, но и рассмотрение теории землесосов. Накопленный опыт помогал сравнивать способы подъёма грунта, рассчитывать оборудование и выбирать решение для конкретной акватории. Принцип перемещения смеси воды и грунта по трубе затем стал основой многих дноуглубительных машин.

В XX веке землесос превратился в комплекс взаимосвязанных механизмов. Одного насоса было мало: плотный грунт сначала требовалось разрыхлить, судно — удержать и провести по заданной полосе, а пульпу — доставить в нужную точку. Развивались приводы, устройства перемещения, способы выгрузки и средства измерения глубин. В 1952 году в Ростове-на-Дону создали проектно-конструкторское подразделение, из которого выросло бюро «Стапель». Оно занималось документацией для транспортного и дноуглубительного флота; в истории бюро есть и научно-исследовательская лаборатория дноуглубления с испытательным оборудованием.

Современный землесос сохраняет физический принцип, освоенный больше века назад: грунт смешивается с водой и движется по трубе благодаря насосу. Изменилось то, насколько точно машина может выполнять работу. Оператор видит показания приборов, управляет движением рабочего устройства, а системы позиционирования помогают следить за положением судна. Развитие технологии хорошо видно на проекте 4395: к забору грунта здесь привязаны сменные рыхлители, сваи, лебёдки и автоматическое управление.

Проходит путь от дна до берега

Землесос иногда сравнивают с большим водяным пылесосом. Сходство действительно есть: насос создаёт поток, который увлекает частицы в приёмное устройство. Но под водой машине встречаются песок, ил и более плотные отложения, а поднятую смесь нужно передать на значительное расстояние. Если грунт плохо разрыхлён, забор идёт трудно. Если неверно подобраны насос и трубопровод, частицы могут оседать внутри линии. Поэтому путь пульпы проектируют как единую систему.

На землесосе проекта 4395 можно менять способ рыхления грунта. Один вариант — механическая фреза, которая разрабатывает слой перед всасыванием. Другой — гидравлический размыв: струи воды воздействуют на грунт и помогают подать его к приёмному устройству. Выбор зависит от условий участка. Судно предназначено для разработки грунтов I–IV групп, а сменные устройства позволяют готовить его к работе с разными донными отложениями.

У грунтового насоса проекта 4395 производительность по воде составляет 4000 кубических метров в час, а проектный показатель по грунту — 700 кубических метров в час. Это разные величины: насос перемещает смесь, в которой твёрдые частицы занимают только часть объёма. Сколько грунта удастся извлечь на конкретном участке, зависит в том числе от его состава, способа рыхления и режима работы оборудования. Инженер учитывает эти условия, когда подбирает насос и рассчитывает движение пульпы по трубам.

Поднятый грунт можно выдавать в шаланды по обоим бортам землесоса или подавать по плавучему пульпопроводу длиной до 500 метров. Для «Тобола» предусмотрена также работа с береговым участком трубопровода длиной до 100 метров. Шаланда перевозит принятый грунт, а трубопровод позволяет направлять пульпу к месту её размещения или намыва. Схему выбирают до начала работ: от неё зависит, какое дополнительное оборудование потребуется рядом с землесосом.

Фото: Спуск землесоса «Северо-Двинский-701» проекта 4395 на верфи в Городце. Источник: ПАО «Судоремонтно-судостроительная корпорация»

Как судно движется без собственного хода?

Проект 4395 — несамоходный землесос. К месту работ его доставляют с помощью другого флота, а на участке он перемещается рабочими устройствами. Во время забора грунта особенно важно удерживать приёмное устройство над нужной полосой дна: течение и работа механизмов воздействуют на судно, а отклонение от траектории меняет результат дноуглубления. Для фиксации и перемещения землесоса предусмотрены сваи и лебёдки.

Одна свая помогает удерживать судно, другая участвует в его напорном ходе — постепенном продвижении вперёд. Лебёдки выбирают и отпускают тросы, перемещая корпус из стороны в сторону. Такое поперечное движение называют папильонажем. С его помощью рабочее устройство проходит одну полосу грунта, после чего землесос смещают к следующей. Машина движется медленно и точно, хотя со стороны может казаться неподвижной.

Перемещение напрямую связано с работой насоса. Если фреза разрыхляет грунт быстрее, чем приёмное устройство способно забрать пульпу, нужного результата не получится. Если судно пройдёт участок слишком быстро, на дне может остаться грунт выше заданной отметки. Проектировщики согласуют мощность рыхлителя, подачу насоса, скорость перемещения и усилия, действующие на тросы и сваи. Приходится учитывать и размеры корпуса: у проекта 4395 длина составляет 54 метра, ширина — 10,5 метра, глубина разработки — до 10 метров.

Процессом управляет багермейстер — специалист по дноуглублению. На землесосе его рабочее место оборудовано консолями и джойстиками. Предусмотрены также системы автоматического управления разработкой грунта, перемещением и позиционированием судна. Полученные до начала работ промеры задают исходную картину дна, приборы помогают вести землесос по участку, а повторные измерения показывают, какой рельеф получился после прохода.

Фото: Землесос проекта 4395 на воде. Источник: пресс-служба АО «РЦПКБ «Стапель»

Чертёж превращается в судно

В проекте землесоса должны сойтись решения специалистов разных направлений. Судостроитель рассчитывает корпус и размещение тяжёлых агрегатов. Инженер по рабочему оборудованию подбирает рыхлители и грунтовый насос, энергетик — питание механизмов, специалист по автоматике — датчики и управление. При этом оборудование должно не просто поместиться на судне: экипажу нужен доступ для осмотра и ремонта, а расположение грузов влияет на осадку и устойчивость корпуса.

Проект 4395 рассчитан на экипаж из 28 человек и автономную работу продолжительностью до 20 суток. На борту предусмотрены каюты, служебные и санитарные помещения, машинное отделение, запасы топлива и балластные цистерны. Насос приводит электродвигатель мощностью 500 кВт; электроэнергию в рабочем режиме обеспечивают дизель-генераторы. Есть и краны для операций с оборудованием. Так проектировщик собирает не отдельную насосную установку, а рабочее судно, на котором люди живут, управляют механизмами и обслуживают их.

После завершения необходимых этапов проектирования документация поступает на верфь. Здесь чертежи превращаются в корпусные детали, трубопроводы, установленные механизмы и электрические системы. «Тобол», например, строили на мощностях Судоремонтно-судостроительной корпорации в Городце. Для конструкторов связь с производством важна на всём протяжении работы: если узел неудобно установить или до него нельзя добраться при обслуживании, решение приходится пересматривать ещё до того, как судно отправится на реку.

Генеральный директор РЦПКБ «Стапель» Николай Тыртышный в одном из интервью говорил об одной из сложностей такой работы: «проектирование ведется параллельно со строительством из-за крайне сжатых сроков поставки судов, что достаточно тяжело для проектанта». Когда конструкторы и верфь работают одновременно, им приходится быстро согласовывать изменения и следить, чтобы очередное решение подходило к уже изготовленным частям. Это требует от инженера понимания не только расчётов, но и того, как судно собирают в цехе.

«Тобол» спустили на воду в июле 2023 года, затем доставили к месту базирования в Тобольске. После зимнего отстоя судно подготовили к ходовым и приёмо-сдаточным испытаниям; о его сдаче бюро сообщило в июне 2024 года. На испытаниях проверяют построенное судно и работу его систем, прежде чем передать его заказчику. Землесос «Александр Логачёв» для Канала имени Москвы заказчик принял в октябре того же года.

По проекту 4395 построены также «Аркадий Кардаков», «Донской-701», «Северо-Двинский-701» и «Евгений Плескевич». Суда предназначались для разных водных бассейнов, но используют общую инженерную основу. На каждом новом участке экипажу всё равно предстоит работать с его глубинами, течением и грунтом. Именно поэтому у землесоса есть выбор способа рыхления и маршрута выдачи пульпы.

Какими могут стать следующие землесосы?

Новые задачи дноуглубления меняют требования к оборудованию. В августе 2024 года «Стапель» представил четыре концепта несамоходных землесосов с механическим рыхлением. Два проекта рассчитаны на работу на глубинах до 15 метров, ещё два — до 25 метров. Варианты различаются также производительностью по пульпе: предусмотрены показатели 10 000 и 15 000 кубических метров в час. Это концепты будущих судов, в которых бюро прорабатывает более глубокую разработку грунта и иную производительность.

При создании этих вариантов инженеры стремятся использовать общие решения для корпусов, надстроек и части рабочих устройств. Такая унификация позволяет повторять уже проработанные узлы при проектировании нескольких судов. Но маршрут грунта по-прежнему сильно влияет на состав оборудования. Если потребуется загружать шаланды непосредственно с борта землесоса, в концептах предусмотрена модернизация: замена насосов и их привода, установка устройств протяжки барж и погрузки пульпы. Новая задача меняет не только конец трубопровода, но и работу машины в целом.

Кто работает над глубиной судового хода?

До выхода землесоса на участок гидрографы измеряют дно и готовят данные для работ. Конструкторы рассчитывают корпус, насосы и рабочие устройства, специалисты по энергетике и автоматике связывают их в одну систему. На верфи технологи продумывают изготовление и сборку, а экипаж затем управляет судном на реке. Багермейстер видит, как землесос идёт по грунту, и следит за процессом по приборам. Результат зависит от каждого этапа: точности промеров, качества проекта, постройки судна и его работы на участке.

Попробовать разобраться в этой профессии можно с небольшого вопроса: что произойдёт, если вынуть грунт со дна, но заранее не решить, куда его отправить? Ответ заставит нарисовать всю схему землесоса — от фрезы и насоса до шаланды или берега. Затем появятся вопросы о глубине, течении, мощности двигателя и движении судна. Для их решения понадобятся математика, физика, черчение и программирование. Тем, кому интересно измерять и описывать речное дно, близка работа гидрографа; тем, кто хочет создавать сами суда, — судостроение.

После школы можно начать с профильного колледжа или инженерной программы университета. В Санкт-Петербурге Колледж судостроения, информационных и прикладных технологий ведёт специальность «Судостроение». В Ростове-на-Дону ДГТУ предлагает программу «Судостроение и судоремонт», связанную с проектированием, строительством и обслуживанием судов. В Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете есть программа специалитета по проектированию и постройке кораблей и судов. Конкретные условия поступления нужно смотреть на страницах приёмных комиссий в год подачи документов.

В дноуглубительном флоте нужны и специалисты, пришедшие из смежных областей. Инженер-механик может заниматься насосом и приводами, энергетик — электроснабжением судна, специалист по автоматизации — управлением рабочими устройствами, геодезист или гидрограф — измерениями дна. Хороший способ познакомиться с задачей — проследить один путь грунта: сначала от дна до шаланды, затем от дна до берега по трубопроводу. Сразу станет видно, почему смена способа выгрузки заставляет инженеров заново считать и компоновать оборудование.

Пассажир может годами ходить по реке и ни разу не увидеть работающий землесос. А затем на судовом ходе появится мелководный участок, и от глубины начнут зависеть загрузка и маршрут судов. Землесос вернёт этому участку нужные параметры, последовательно пройдя по рассчитанной полосе дна. В его работе соединятся история дноуглубления, точные промеры и решения инженеров, которые сумели превратить движение воды и грунта в управляемый процесс.