Книга о якорях

«Адмиралтейские инвалиды»

Плавучие маяки, знаки навигационного ограждения, понтоны, плавучие трубопроводы, рейдовые якорные бочки и многие другие плавучие сооружения тоже не могут обойтись без якорей. Для них, нуждающихся в надежной якорной стоянке в течение длительного периода, разработаны так называемые мертвые якоря. Их разделяют на два типа: направленного действия, когда якорь может держать в пределах заданного в плане угла, и кругового действия, когда якорь держит под любым углом в плане. Обычно такие якоря укладывают или врывают в грунт с помощью киллекторных судов или плавучих кранов.

Издавна в качестве мертвых якорей использовали каменные глыбы, деревянные, а иногда и железные клетки, наполненные каменным или чугунным балластом. Наиболее распространенный мертвый якорь — обычный адмиралтейский якорь со срезанным по веретено одним рогом. Чтобы такому «адмиралтейскому инвалиду» придать побольше силы, его единственный рог удлиняют или увеличивают площадь лапы.

Однорогий якорь применяется не только как мертвый: им пользуются при производстве дноуглубительных работ на рейдах и на реках. Когда несамоходный земснаряд прорывает траншею, он передвигается с помощью своих лебедок и двух завезенных в разные стороны однорогих якорей, которые носят название папильонажных. Это название происходит от французского слова papillon — бабочка. Когда земснаряд, прорывая траншеи, передвигается влево и вправо, то говорят, что он работает папильонажным способом, то есть его движение похоже на полет бабочки. По мере передвижения земснаряда вперед якоря все время приходится перекладывать на новое место. Это делают с помощью самоходных судов — завозней. Иногда приходится папильонажные якоря переносить вручную: мотозавозня из-за мелководья не может их доставить на нужное место или якоря необходимо заложить на сухих песках. Поэтому к папильонажным якорям предъявляют два немаловажных требования: легкость и высокая удельная держащая сила на сыпучих грунтах. Особенно это важно, когда земснаряду приходится работать на тяжелых грунтах или при большом слое срезки. В таких случаях держащую силу однородного «инвалида» пытаются увеличить за счет увеличения площади его лапы (рис. 131).

Рис. 131. Мертвые якоря с усиленными рогами

Но те, кто переделывает якорь, иногда забывают, что величина площади лапы связана строгой зависимостью с углом атаки, углом отгиба рога и его длиной. Нередко случалось: наварят большую пластину, и якорь вообще перестает держать — при увеличении усилия папильонажного троса вырывается из грунта.

Лабораторные сравнительные испытания, проведенные в 1958–1962 годах Горьковским институтом инженеров водного транспорта, позволили отобрать четыре различных однорогих якоря, давших наилучшие результаты по величине держащей силы.

Рис. 132. Якорь Гошева — ГИИВТ

Лучшим из них оказался якорь конструкции командира-наставника Северного бассейнового управления пути МРФ В. Гошева. Горьковский институт внес в конструкцию этого якоря некоторые изменения. В результате родился якорь, названный якорем Гошева — ГИИВТа, держащая сила которого в два раза больше соответствующего адмиралтейского якоря с одним рогом (рис. 132).

Если у обычных якорей, применявшихся на земснарядах, угол отгиба рога составлял 35–45°, а угол атаки — 55° и выше, то у якоря Гошева — ГИИВТа эти величины составили 11° и 37°. К тому же у него площадь лапы на 20–25 % больше соответствующей площади обычного якоря с одной лапой. Максимальное удельное усилие протаскивания нового якоря на песчаном грунте равнялось на испытаниях 12,3 кг на каждый килограмм веса якоря и на глинистом грунте — 10 кг.

Рис. 133. Якорь «АМ-12»

В то время, когда в Горьком проводились эти исследования, в Англии также шли работы по определению наивыгоднейшей формы однорогого адмиралтейского якоря. В результате экспериментов, проведенных Британским Адмиралтейством, появился якорь «АМ-12» (рис. 133). Во время испытаний опытный образец весом 2,13 т показал максимальное удельное усилие, равное 25 т. Этот якорь учрежден в Англии как государственный стандарт.

«Пирамиды», «лягушки», «сегменты» и «грибы»

Рис. 134. «Пирамида»

Рис. 135. «Сегмент»

Кроме «адмиралтейских инвалидов», на мягких илистых или мелкопесчаных грунтах хорошо работают железобетонные массивы в виде четырехгранной или многогранной пирамиды (рис. 134), сегмента (рис. 135) или так называемые «лягушки» (рис. 136). Сегменты и «лягушки» держат не только за счет своего большого веса, но и за счет присасывания, которое возникает благодаря полукруглой выемке в их нижней части.

Рис. 136. «Лягушка»

Обычно вес мертвых якорей выбирают в зависимости от размеров плавучего сооружения, которое они предназначены удерживать на водной поверхности. Однако у гидрографов и у путейцев-водников не всегда под рукой есть твердые нормативы на типы и веса мертвых якорей. Поэтому мертвые якоря из чугуна пли железобетона нередко излишне тяжелы. Например, при проектировании судоходной обстановки на Камском водохранилище для установки малых речных буев был рекомендован чугунный сегментный якорь весом 250–300 кг. Опыт эксплуатации Камского водохранилища показал, что для установки указанных буев требовался якорь весом не более 100 кг.

Рис. 137. «Сегмент» Камского водохранилища

Речники на этом водохранилище крепили средние морские буи высотой 3,15 м не чугунными якорями весом в тонну, а сегментными якорями из железобетона, которые весили 300 кг. На их изготовление шел цемент марки «500». Состав цементного раствора — 1:3, инертный материал — речной песок. На рис. 137 показан тип железобетонного якоря самой облегченной конструкции, которую применили на Камском водохранилище. Для армирования бетона использовалось круглое железо диаметром 14 мм. Рамы изготавливали из круглого железа диаметром 16 мм. Камские «сегменты» выдержали проверку времени: оказалось, что по прочности они не уступают чугунным якорям, хотя более чем на треть дешевле последних.

Рис. 138. Якорь Саханского

А вот как усовершенствовал сегментный чугунный якорь еще в 1907 году русский гидротехник Н. Саханский (рис. 138). Приварив к краям сегмента широкий обруч, он намного увеличил присасывающую поверхность якоря и повысил его держащую силу [31]. Если в те времена в России изготовление «лягушки» весом в 150 пудов обходилось в 300 рублей, то стоимость якоря Саханского, такой же держащей силы, составляла 70 рублей. К сожалению, в наше время якорь Саханского позабыт.

Рис. 139. Мертвый якорь направленного действия

В местах, где есть течение и меняется уровень воды, используют железобетонный якорь направленного действия, изображенный на рис. 139. Чтобы он не выламывался из грунта при повышении уровня воды во время прилива, его веретено сделано подвижным.

Рис. 140. Якорь-гриб плавучего маяка

Очень часто в качестве мертвого якоря применяют грибовидные якоря, о которых рассказывалось в шестой главе. Для их установки обычно размывают грунт на несколько метров (рис. 140). Уложенный таким образом якорь-гриб становится якорем кругового действия с хорошей держащей силой.

Рис. 141а. Якорь Воренкампа

Для установки понтонов бурильных снарядов и плавучих нефтяных вышек на неустойчивых илистых грунтах неплохо зарекомендовали себя мертвые якоря, показанные на рис. 141. Первый из них запатентован в 1954 году американским инженером Воренкампом (а), а второй чуть позже американцем Бауманом (б). Оба якоря получили распространение в США при бурении нефтяных скважин на дне Мексиканского залива близ побережья штатов Техас и Луизиана.

Рис. 141б. якорь Баумана

Они просты, прочны и обладают колоссальной держащей силой. Например, якорь Воренкампа весом 250 кг выдерживает тяговое усилие 70 т. При этом он зарывается в ил на пятнадцать метров. Однако без буйрепа его вытащить невозможно. Размывание же грунта для его подъема дороже самого якоря. Поэтому, когда бурильный снаряд ставят на новую скважину, такие якоря оставляют в грунте.

Винт Митчелла

Ни один из изобретенных в мире якорей не принес столь большого материального вознаграждения автору, как якорь-винт, запатентованный английским гидротехником Митчеллом в 1848 году. За несколько недель до истечения срока действия патента управление порта Ньюкасл-на-Тайне заплатило Митчеллу 2500 фунтов стерлингов за право воспользоваться его изобретением. По тому времени эта сумма — целое состояние.

Незадолго перед этим Митчелл выступил с докладом об изобретенном им винтовом якоре на заседании Общества гражданских инженеров в Лондоне. Он заявил, что если его якорь ввинтить с помощью рычага в грунт на несколько футов и попытаться вырвать его, то придется приложить силу, которая будет способна вытащить массу грунта, составляющую обращенный конус, диаметр основания которого равен диаметру винта. Продемонстрировав принцип устройства и действия винтового якоря на моделях (рис. 142), изобретатель с цифрами в руках доказал, что его якорю-винту по величине держащей силы нет равных. Присутствовавшим на заседании Общества это стало очевидным, ибо все понимали: в условиях рейдовых стоянок кораблей на бочке сила, вырывающая мертвый якорь из грунта, никогда не действует вертикально, и угол приложения этой силы и дуга, образуемая цепью от бочки (бриделем), значительно уменьшают усилие на якорь-винт.

Рис. 142. Модели винтовых якорей

Митчелл предлагал использовать разработанные им на базе винтового якоря якорь-сваи и винтовые якорные фундаменты для строительства маяков на зыбучих песчаных отмелях, которыми изобилует побережье Англии.

Купив у Митчелла патент, управление порта Ньюкасл-на-Тайне соорудило с помощью винтовых якорей диаметром четыре фута систему якорных бочек для приема приходящих на рейд судов. По расчету каждый якорь Митчелла должен был удерживать одну бочку, за которую могли швартоваться одновременно четыре судна. Винтовые якоря вполне себя оправдали. В зиму, когда постройка системы рейдовых бочек завершилась, над Ньюкаслом промчался сильный ураган. И на каждой бочке благополучно отстоялось по восемь судов. Застигнутые этим же ураганом другие корабли нашли убежище в порту Сандерленд, где якорные бочки удерживались бетонными массивами. Эти мертвые якоря не смогли противостоять силе стихии: на берег выбросило около десяти судов. Принесенный ущерб оценивался в тридцать тысяч фунтов стерлингов. Управление порта Ньюкасл-на-Тайне с удовлетворением констатировало, что оно отделалось сравнительно небольшой суммой.

После этого Митчелл предложил построить на винтовых сваях маяк на песчаной банке Маплин-Сандз в устье Темзы. В песок ввинтили девять винтовых свай с диаметром винта четыре фута на глубину 22 фута. Сооруженный на них маяк простоял более тридцати лет. Таким же образом построили маяк на реке Вайр при входе в порт Флртвуд. В песчаную косу в двух милях от берега ввинтили семь свай с винтами диаметром три фута на глубину 18 футов.

Винтовой якорь Митчелла дал возможность английскому маячному и лоцмейстерскому обществу «Тринити Хауз» дешево и надежно строить маяки в тех местах, где до этого обходились временными плавучими сооружениями, которые нередко срывали штормы. Англичане утверждают: некоторые маяки на сваях Митчелла стоят до сих пор!

Якорь Митчелла находит применение и в наши дни, на море и на суше. Его используют в строительстве для временного закрепления и монтажа подъемных мачт, колонн, опор и пр. На принципе винтового якоря разработаны временные безбетонные фундаменты и переносные фундаменты, на которых монтируется шарнирно-поворотное устройство. Это устройство, вращаясь по горизонтали и вертикали, позволяет прикладывать нагрузки в любых направлениях от 0 до 360° по горизонтали и от 0 до 90° по вертикали.

Сейчас для увеличения держащей силы винтового якоря и его устойчивости применяют шарнирно-опорное устройство. Оно крепится к скобе стержня якоря и состоит из плечевого рычага и опорной подушки, которые соединены шарнирно. Горизонтальная составляющая усилия, приложенного к якорю, воспринимается подушкой шарнирно-опорного устройства, а вертикальная составляющая направлена по оси стержня вверх.

Все конструкции якорных фундаментов могут использоваться пятьдесят и более раз. Стоимость их при многократной оборачиваемости в двести раз дешевле, чем обычных мертвых якорей и бетонных фундаментов.

Держащая сила винтовых якорей огромна. Обычно под полуметровым слоем грунт не нарушен, и чем глубже, тем он плотнее. В плотных глинистых грунтах и суглинках сцепление между частицами ненарушенного грунта достигает 3–6 кгс/см2, или 30–60 тс/м2.