книги из ГПНТБ / Снежные лавины (прогноз и защита) [сб. ст

ры ); электрический разряд в снегу и в движущемся лавинном теле ( измерители напряженности электромагнитного поля) и

д р.

Активные методы исследования позволяют регистрировать или таким образом изменять <|изические свойства лавинного те­ ла, чтобы вызвать искусственный спуск лавины, или, наоборот, предотвратить ее сход путем увеличения устойчивости снежно­ го покрова: плотность и мощность снега (пенитрометры.прессиометры, термобуры) ;плотность, мощность и влажность снега (.ра­ диоизлучатели-радиоприемники, радиактивный источник - инди­ каторы гамма-излучения или детекторы плотности тепловых нейт­

ронов) ;тепло-физические константы снега (тепловой излучатель— электротермометры ) ; упругие свойства снега (генераторы - из­ мерители сейсмоакустичеоких и ультразвуковых колебаний);диэлектрическую проницаемость снега (конденсаторы и измерители емкости); искусственный спуск лавин (взрывы зарядов,тепловые излучатели, генераторы оейсмоакустических колебаний), устойчи­ вость снежного покрова на склоне (взрывы зарядов,снегозадер­ живающие щиты, проводники для снятия электростатического за­ ряда) и пр.

Указанная техника имеет различную степень соверщенства и предназначена для решения различных, часто узкоспециализи­ рованных задач. Сейчас нет гравиметров о точностью и стабиль­ ностью, необходимыми для решения поставленной задачи, практи­

чески отсутствуют мощные тепловые излучатели и генераторы сейсмоакустических колебаний, с помощью которых можно было бы проводить искусственный спуск лавины. Более подходящие вариан­ ты датчиков и аппаратуры .создающей искусственные физические поля, требуют дополнительных конструктивных и методических разработок и опробования их в сложных условиях лавиноопасных районов.

Основные ограничения на конструкцию датчиков и аппаратуры накладывают условия лавинного очага: невозможность проведения людьми работ в лавиноопасный период;трудная доступность лави-

носбора;периодические сходы лавин изменчивость влажности и температуры; выпадение изморози на внешних контактах приборов и др. Однако задачи прогнозирования лавин и исследования их требуют проведения наиболее детальных измерений именно в лави­ ноопасный период и в момент схода лавины. Поэтому желательно иметь датчики и аппаратуру, автоматически функционирующие в

120

течение всего зимнего периода и не выходящие из строя при сходе лавин. Методы исследования, при которых необходимо проводить работы в лавиноопасный период на поверхности сне­ га , мало подходят для данного случая. Всю аппаратуру и дат­ чики следует располагать под снегом, ниже поверхности зем­ ли, в специальных углублениях, что создает дополнительные ог­ раничения для методов исследования. Использование активных методов изучения физических свойств лавинного тела требует

значительного энергообеспечения и затрат.Пассивные методы изу­ чения пизических полей, позволяющие использоватт режим ожи­ дания (.автоматическая готовность к регистрации процесса.) и

нуждающиеся в меньшем количестве энергии, обладают оцределенными преимуществами при подобных исследованиях. Датчики, вы­ ходящие из строя в момент схода лавины,должны оыть достаточ­ но дешевыми и легко заменяемыми - электромеханические контак­ ты,электротермометры,тензометрические датчики и т.По

Для разработки методик изучения,опробования новых кон­ струкций датчиков и выявления наиболее информативных парамет­ ров,достаточно удобных для измерения, следует на двух-трех лавинных очагах, хорошо доступных и энергообеспеченных, прово­ дить максимальный комплекс взаимосвязанных физических изме­ рений и других лавинных исследований. Такие полигоны можно создать на Эльбрусской и либинскои станциях географического факультета MfJ в содружестве с другими организациями.

Измерительный полигон лавинного очага должен включать

всебя следующие элементы:

а) датчики непрерывной регистрации ( весы, чувствитель­ ные акустические микрофоны для р е г и с т р а ц и и мелких подвижек снега, датчики ползучести сн ега , датчики напряженности.электро­ статического и электромагнитного поля,радиоактивные измери­

тели плотности и влажности снега и т.д .,1;

й) датчики аварийной регистрации, одновременно включаю­ щиеся в начальный момент возникновения лавины (электроме­ ханические контакты, сеть сейсмоакустических и тензометри­ ческих датчиков, киносъемка и т .д .

в) датчики для периодической регистрации физических параметров снега в лавиносборах (пенитрометры,прессиометры,тер­ мобуры, тепловой излучатель-электротермометр, генераторы-из­ мерители сейомоакустических колебаний,конденсаторы и измери­

121

тели емкости;о В первом приближении измерительный полигон можно пред­

ставить следующим образом.

Влавиносборе группируются на характерных площадках

вспециальных углублениях-бункерах датчики типа "a " , it каждо­ му бункеру подведены скрытой проводкой линии связи и энерго­ обеспечения.Все датчики располагаются по возможности, так,

чтобы сходящая лавина не выводила их из строя. Например,дат­ чик ползучести снега, удовлетворяющий последнему требованию, может быть сконструирован в виде жесткой пластинки, располо­ женной нормально к направлению потока снега и имеющей направ­ ляющие вдоль потока.Регистрация величины перемещения может про­ водиться по величине сопротивления проволоки, закрепленной од­ ним концом на пластинке и сматываемой с барабана при ее дви­ жении вдоль направляющих, 'i-'акую же пластинку,связанную с мано­ метром,можно использовать как датчик давления вдоль склона.

С помощью датчиков типа "а " выявляются параметры и процессы, характерные в основном для нижней части снежного пок­ рова лавиносбора. Для получения более качественных сведений необходимо в районе лавинного очага проводить параллельно у поверхности снега измерения величин температур, теплового пото­ ка,напряженности электростатического, электромагнитного полей, акустических колебаний, а также измерять сейсмические колеба­ ния почвы. Все это поможет установить природу первого толчка, вызывающего сход лавины.

Датчики группы "б " располагаются по всему лавинному очагу. Разработка надежной конструкции гибких реек с электромеханиче­ скими контактами, не выходящих из строя после схода лавины,

позволит измерять дальность выброса лавинного тела, а также скорость движения переднего дронта снежного потока. Во втором случае контакты должны быть связаны с импульсными счетчиками времени, которые включаются в начальный момент схода лавины и выключаются при прохождении передним фронтом снежного потока каждой конкретной рейки. Аналогично строится схема измерения скорости воздушной волны,причем время может фиксироваться так­ ие с помощью различных самописцев с лентопротяжными механизма­ ми. Параллельно необходимо записывать силу удара лавины об ис­ кусственные препятствия, расположенные, желательно, в разных частях лавинного очага, а также силу удара воздушной волны.

122

Следует поставить опыт и для измерения плотности снеж­

ной пыли во <|ронте воздушной волны. Для этой цели можно раз­ работать конструкцию ящика, открывающегося при сигнале"сход лавины" и захлопывающегося при различных нагрузках на его дно. Серия таких ловушек с разной нагрузкой охлопывания, установлен­ ных открывающейся частью в сторону лавины, позволит по коли­

частот движущегося лавинного тела и его энергетическую ха­ рактеристику. В этой области есть положительный опыт записи оейсмоколебаний от мокрой лавины Ш риэльбрусье). Для анализа и сопоставления данных желательно иметь отснятый на кинолен­ ту процесс схода лавины.

Таким образом можно получить увязанную во времени и в

пространстве энергетически-скоростную картину процесса схода

лавины.

Датчики типа"в" группируются в бункерах на тех же харак­ терных площадках лавиносбора, что и датчики типа " а " . Это наи­ более дорогие и энергоемкие устройства. Методика проведения измерений с их помощью достаточно сложна. Автоматическим режим и необычные условия работы требуют совершенствования конструк­ ций датчиков и методических исследований.Оптимальным решением этом проблемы было бы создание автоматическом дистанционно уп­ равляемой самоходной (или буксируемой и одновременно страхуе-

мой) установки с комплектом датчиков типа " в " , которая позво­ ляла бы измерять плотностные тепло-физические,диэлектрические и прочностные характеристики снега на разных глубинах по всей площади лавиносбора. Такие автоматы созданы и используются

мой видимости из пункта управления, будет значительно проще по конструкции и управлению.

Одновременно на опытных полигонах следует проводить тра­ диционные лавинные исследования,испытывать снегозадерживаю­ щие конструкции, проводить искусственные спуски лавин. Допол­ нительные данные о лавинном очаге позволят получать более ка­ чественные результаты.

123

К.Ф.Войтковский

ПОЛЗУЧЕСТЬ И УПЛОТНЕНИЕ СНЕГА

Ползучесть снега тесно связана с объемными деформациями и процессами метаморфизма. Ползучесть в чистом виде проявляется лишь при деформировании кристаллов льда в снегу. Деформация не снега в целом складывается из упругих и пластических дефор­

маций кристаллов и зерен снега, их относительных перемещений и частичного разрушения.Существенную роль играет также перекристал­ лизация снега,обусловленная термодинамическими условиями и нап­ ряженным состоянием кристаллов. В результате этого реологиче­ ские характеристики снега в процессе его десформирования могут существенно изменяться.

Снег неодинаково сопротивляется сжатию и растяжению. Име­ ются также различия в механизме ползучести и разрушения снега при сжатии и растяжении.

Для сопоставления скоростей ползучести при сжатии и рас­

опытов была близка к постоянной. Образцы каждой пары устанав­ ливались в камере и загружались таким образом, что среднее рас­ тягивающее напряжение в одном образце точно соответствовало ве­ личине напряжения сжатия в другом. Кривые ползучести этих об­ разцов представлены на рисунке.

Как видно из приведенных кривых, скорость ползучести и, соответственно, величина относительной деформации снега за

мающих напряжений на плоскостях сдвига можно объяснить спе­ цификой механических свойств кристаллов льда.

125

Известно,что объемное сжатие мало влияет на скорость пол­ зучести кристаллов льда, тем не менее оно не замедляет,а наобо­ рот, увеличивает скорость ползучести, которая, в свою очередь, определяется прежде всего величиной действующих напряжений сдвига. Зависимость скорости ползучести льда от величины напря­ жении сдвига имеет явно нелинейный характер и отличается гораз­

увеличивают скорость ползучести вблизи контактов и облегчают относительные сдвиги кристаллов. Положение двух кристаллов на линии, параллельной направлению сжатия образца снега, когда меж­ ду этими кристаллами действуют только усилия сжатия,неустойчиво. Малейшая неоднородность приведет к тому, что один из кристаллов начнет отклоняться от линии сжатия и тогда на контакте кристал­ лов, наряду с усилиями сжатия,возникнут усилия,сдвигающие один кристалл относительно другого..Возникающие напряжения сдвига спо­ собствуют нарастанию относительных сдвиюв кристаллов и внедре­ нию кристаллов одного ряда между кристаллами другого. При таком механизме возможны значительные деформации сдвига и уплотнение за счет пластических деформаций кристаллов,без существенных нарушений сплошности кристаллов и их контактов.

При растяжении образца снега всегда появляются такие кон­ такты,в которых относительное удаление кристаллов вызывает необ­ ходимость разрыва связей между кристаллами. А так как сопротив­ ление льда разрыву намного больше, чем среднее напряжение растя­ жения в снеду.то в таких контактах, где нет условии для пласти­ ческом деформации сдвига кристаллов, возникают повышенные уси­ лия растяжения, которые частично разгружают соседние участки.

В результате такой лонцентрации усилий растяжения, между неко­ торыми кристаллами уменьшается величина усилий относительного сдвига кристаллов по сравнению с аналогичной величиной при сжа­ тии снега, соответственно уменьшается и скорость деформации сдвига.Необходимость разрыва некоторых контактов между кристал­ лами ограничивает также предельную величину относительного удлинения образца снега к моменту его разрушения, которая обычно оказывается значительно меньше возможной величины от­ носительного сжатия снега.-

126

Различие в механизмах скатил и растяжения затрудняет построение единой реологической модели снега для сложного напряженного состояния,когда сжатие по одной из главных осей сопровождается растяжением по другой.

Если образец снега подвергается одноосному сжатию с воз­ можностью бокового расширения, то одновременно с ползучестью происходит уплотнение снега. Но так как процесс уплотнения

чести льда. Они характеризуются начальной стадией замедляющей­ ся ползучести,стадией установившейся ползучести и при повышен­ ных нагрузках-стадией прогрессирующего течения. Заметное влия­ ние оказывает уплотнение при длительном сжатии или при сжатии под действием повышенных нагрузок, когда происходит уменьшение скорости деформации вследствие изменения механических свойств снега по мере его уплотнения.

Установившаяся скорость ползучести наступает через 5-20 часов после загружения. Зависимость между скоростью устано­ вившейся ползучести и величиной сжимающего напряжения имеет сложный характер. Тем не менее,в достаточно большом диапазоне напряжений она практически близка к линейной ( в пределах времени, когда можно пренебречь величиной.уплотнения и соот­ ветствующим ему изменением скорости ползучести;. Это позво­

ляет рассматривать установившуюся ползучесть как вязкую дефор­ мацию и характеризовать скорость деформирования коэффициен­

ь

127

возможности бокового расширения, поэтому снег часто испыты­ вают на компрессионное сжатие.В этом случае кривая нараста­ ния величины относительного сжатия имеет вид кривой медленно затухающей ползучести. На такой кривой выделяется участие ус­ тановившейся скорости сжатия, которая затем постепенно умень­ шается из-за увеличения коэффициента вязкости снега по мере его уплотнения. Зависимость между величиной компрессионного сжатия и установившейся скоростью уплотнения близка к линей­

ной, поэтому иногда для характеристики компрессионного онатия

когда все три главные напряжения сжимающие, в первом прибли­ жении можно принять, что уплотнение зависит лишь от средне­ го напряжения сжатия и не завиоит от девиатора напряжений.

128

129