Mořské plošiny

Náročnější než mrakodrapy

Mořské stavby jsou nám, suchozemcům, vzdálené a tak nám uniká, že jde patrně o nejnáročnější inženýrské konstrukce druhé poloviny 20. století, které svými požadavky - především na základovou půdu - předčí visuté mosty, televizní věže i mrakodrapy. Ropa se začala v moři těžit r. 1940 (na pobřeží Louisiany v USA). Po roce 1950 těžba z moře tak vzrostla, že se dnes tímto způsobem čerpá zhruba čtvrtina veškeré ropy. Ropa a zemní plyn představují asi 90 % minerálního bohatství Atlantiku. V moři se vedle ropy těží šelfový písek, bohatý na některé kovy, zvláště cín - v Thajsku a Indonésii se tak dobývá 10 % světové produkce cínu - a diamanty. Těžba manganových konkrecí, ač představují téměř neomezené rezervy, se zatím nevyplácí.

Na světě pracuje ve 100 zemích asi 600 000 ropných studní (z toho asi 90 % v USA). Polovina ropy je druhohorního stáří (cca 70 milionů let), starší ropa je paleozoická. První studnu vyvrtal r. 1859 plukovník Edwin Drake v Pennsylvánii, ale ropa, zemní plyn a asfalt byly z povrchových ložisek známy již 4 000 let př. Kr. (v Mezopotámii). Plutarchos zaznamenává, jak hořící zemní plyn v Kirkúku (Irák) zapůsobil na Alexandra Velikého (asi 331 př. Kr.). Obdobné jevy v Kaspickém moři (Baku) popisuje Marko Polo (13. stol.), v Kalifornii pak Juan Rodriguez r. 1542.

Ročně uniká do okolí asi 50 - 60 milionů litrů ropy. Atmosféru znečišťují metan a oxid uhličitý, pokud se zapalují (dnes již jen v některých zemích, jako je Nigérie, jinde se jímají). Obojí, únik ropy i plynů, představuje pro životní prostředí značné problémy.

Založení nebo kotvení plošin

Kombinované těžební a obytné plošiny (žije na nich asi 150 až 200 lidí) jsou buď pevné (obrázek), nebo plovoucí, kotvené (ty jsou výhodné ve větších hloubkách a u menších ložisek - obrázek). Jejich založení nebo kotvení se musí vypořádat s často značně nepříznivými základovými poměry. Mořské dno tvoří z 60 % globigerinové bahno (schránky jednoho druhu horninotvorných dírkonožců s obsahem více než 30 % CaCO₃), z 25 % písek a z 15 % skála, štěrk a lastury. Na volném moři se ročně ukládá v průměru asi 1 až 2 cm sedimentů. Stavba mořských plošin se setkává nejen s mimořádně obtížnými základovými poměry, ale i se záludnostmi klimatu. Tyto konstrukce se navrhují tak, aby byly schopny vzdorovat stoleté bouři, podobně jako se hráze navrhují na tisíciletou povodeň; plošiny mají kratší životnost, danou kapacitou ložiska. Takovou bouři provázejí v Severním moři vlny o výšce až 30 metrů. Dnes se těží z hloubek větších než 300 metrů (na plošině Heidrun až z 350 m). Nepřekvapuje proto značná váha plošin (plošina Stratfjord, 160 km od norského pobřeží, váží asi 6 000 meganewtonů, tj. 600 000 tun; plovoucí plošina Heidrun 288 000 tun atp.).

Pilotové zakládání plošin

Kombinace málo únosné základové půdy, velké hloubky a nezvykle velkého vodorovného zatížení (plošina musí vzdorovat periodickým úderům vln; r. 1995 se má v Kanadě dokončit první plošina, Hibernia, která bude schopna odolávat i tlaku plovoucích ledovců) vedou k řadě pozoruhodných konstrukcí. Ty se navrhují po důkladné identifikaci chování zemin mořského dna dané lokality a modelovém výzkumu reakce plošiny zvoleného typu na složité dynamické namáhání mořskými vlnami.

Jako příklad obtížného zakládání plošiny na piloty lze uvést britskou plošinu Magnus z roku 1982 (hloubka moře 186 m, návrhové vodorovné zatížení vlnami 130 MN = 13 000 tun, větrem 9 MN = 900 tun). Každá noha čtyřnohé věže (podobné té na obrázku) se opírá o svazek devíti otevřených ocelových pilot o vnějším průměru 2,134 m (průměr pilotového svazku je 13,8 m), tloušťce stěny 63,5 až 80 mm, beraněných do hloubky 80 až 87 m. Návrh vychází z rychlosti větru 44 m/s a výšky vln 30,3 m. Uvedené pilotové parametry silně převyšují stavby pilotované na souši a studium jejich chování proto značně rozšiřuje naše poznatky.

Spojení pilotového roštu s ocelovou příhradovou věží se provádělo injektáží. Až na tenkou povrchovou vrstvu byla základová půda v tomto případě výjimečně příznivá. Tvoří ji silitový jíl se smykovou pevností 100 až 400 kPa. Pozoruhodný byl poznatek, že vodorovná tuhost pilotové skupiny byla (patrně v důsledku silné, snad ledovcové překonsolidace podloží) asi dvakrát až třikrát větší, než se předpokládalo. Plášťové tření bylo s hloubkou stálé, avšak v případě dynamického zatížení s hloubkou lineárně klesalo.

Tyto významné nové poznatky doplňuje zjištění, že je nezbytné brát v úvahu změny zeminy vyvolané beraněním, tj. její reziduální strukturu v blízkosti pláště pilot. Tím se ztrácí jednoduchý přímý vztah mezi velikostí plášťového tření a smykovou pevností neporušené základové půdy (zmíněnému jevu se říká únava třením). Poměrně velkou část zatížení (asi 10 %) přenáší ocelová deska se zahloubenými okraji v úrovni hlavy pilot, nezbytná k instalaci plošiny. Na základě tohoto poznatku se v posledních deseti letech piloty přetěžují úmyslně, aby se dosáhlo jejich většího sedání. Tak se deska spojující hlavy pilot do pilotového roštu zatlačuje do základové půdy a významná část zatížení (desítky procent) se přenáší roštovou deskou přímo do půdy. Nejlepší metodou výpočtu únosnosti plošinových pilot se ukázala být tzv. alfa-metoda (osvědčená i na souši), kterou doporučuje American Petroleum Institute. Vychází z neodvodněné smykové pevnosti zemin, jež se namáhají tak, aby zachovávaly stálý objem. Piloty se užívají i u kotvených plošin, kde fixují kotvy na mořském dně.

Plošné zakládání plošin nebo jejich kotev

Významnou alternativou k hloubkovému zakládání pilotovému je plošné zakládání mořských plošin nebo jejich kotev. Příklad takového založení je na obrázku a obrázku. Jde o norskou plošinu Troll (k těžbě zemního plynu), založenou na velmi měkkém jílu Norského příkopu v Severním moři. Zatížení přenáší do základové půdy skupina dutých válcových základových bloků (slouží současně jako nádrže s obsahem desítek tisíc m³) ¹⁾ , zahloubených 20 - 30 m pod povrch mořského dna. Spolehlivá funkce této plošiny se zjišťovala detailními laboratorními modelovými zkouškami v měřítku 1:100. Únosnost, naměřená při značném cyklickém zatížení (to tvoří obvykle 50 až 100 % průměrné statické hodnoty), tvar plochy, podél níž se podloží porušuje, a způsob porušení se dobře shodovaly s návrhovým předpokladem.

Stejný princip lze užít i u kotev. Tak např. každý roh norské plošiny Snorre (moře hluboké 306 m) je kotven podobně jako na obr. 2, ale ne volně zavěšenými řetězy, nýbrž čtyřmi tzv. taženými nohami (tension leg platform, TLP). Statické zatížení každé je 70 MN, jeho cyklická složka 60 MN. Každá kotva se skládá ze 3 dutých válců o průměru 17 m a výšce 12 m. Válce se zatlačí do měkkého jílu (např. nohy plošiny Troll jsou takto zakotveny do dna Norského příkopu) a dotlačí tak, že se v nich (neprostupně utěsněných) vyvolá podtlak. Modelové zkoušky potvrdily správnost této koncepce a celého návrhu (viz Vesmír 71, 377, 1992/7).

Dynamicky namáhané mořské plošiny se navrhují metodou konečných prvků. Klíčem k úspěchu je skutečnost, že se parametry základové půdy měří laboratorními zkouškami (užívá se prostý smykový přístroj, tzv. direct shear apparatus) na vzorcích, podrobených stejné kombinaci statického a cyklického napětí jako reprezentativní prvky základové půdy in situ. Při dynamickém zatížení se předpokládá, že se zemina přetváří v neodvodněném stavu, tj. voda se z ní pod tlakem nevytlačuje (a probíhá tedy izochorická deformace), na rozdíl od dlouhodobého (statického) zatížení.

Z předchozího popisu je nejen patrné, s jak značnými problémy se setkává dobývání surovin z mořského dna, ale také jak vyspělá je technická infrastruktura, která takové problémy dokáže uspokojivě řešit a svými poznatky i významně obohatit kontinentální praxi.

Ohled na životní prostředí

má stejnou prioritu jako bezpečnost, cena těžné suroviny a plnění plánu těžby. Tak např. vrtný šrot, kontaminovaný ropou a dříve sypaný do moře, nesmí na plošinách norského sektoru Severního moře obsahovat více ropy než 10 g na kilogram. Tak přísná mez vede k tomu, že se šrot odváží k zpracování na pevninu, nebo se (ve formě kaše) injektuje pomocnými studněmi zpět do dna. Podobně voda provázející těžbu nesmí obsahovat více než 40 mg ropy na litr. Na oxid uhličitý, převažující v atmosférické emisi, byla uvalena daň (0,8 norské koruny na 1 m³ spáleného metanu nebo na 1 l spálené ropy).

Srovnáme-li plošiny na obr. 1 a 3, 4, je patrné, že vedle bezpečnosti, účelnosti a ekologických hledisek dbají inženýři konce 20. století i na estetickou působivost svých konstrukcí. A to je dobře.

Bedlivě sledované ekologické ukazatele a kritika politiků i veřejné mínění nakonec přinutily společnost Shell upustit od plánovaného ponoření plošiny Brent Spar. (Nakonec se ukázalo, že šlo o planý poplach - na plošině zůstalo jen zanedbatelné množství kontaminantů.)