Техносферная безопасность / Barinov - Opasniye prirodniye processi 2009

Снежные лавины можно назвать снежными потоками. К ним относятся также лавиноподобные водоснежные потоки и быстрое сползание снега. Между ними нет резких границ по условиям и механизму образования и форме движения; области их распространения одинаковы, методы защиты сходные. Лавины распространены повсюду, где возникает снежный покров высотой более 30–50 см, и где склоны более 20° с относительной высотой более 20–30 м. Особенно крупные лавины в горах, где сила удара лавин о препятствие достигает десятков тонн на 1 м2, объемы – миллионы кубометров, повторяемость в наиболее активных очагах – 10–15 лавин в год, число лавинных очагов на 1 км длины долины – 10–20. Лавины встречаются также на уступах морских и речных террас. Лавиноопасными могут быть и различные техногенные склоны – борта карьеров, откосы над дорожными выемками и др.

К лавинообразующим факторам относятся:

–высота старого снега;

–состояние подстилающей поверхности;

–величина прироста свежевыпавшего снега;

–плотность снега;

–интенсивность снегопада;

–оседание снежного покрова;

–метелевое перераспределение снежного покрова;

–температурный режим воздуха и снежного покрова.

Наиболее важные факторы – прирост свежевыпавшего снега, интенсивность снегопада и метелевый перенос. В отсутствие осадков сход лавин является следствием интенсивного таяния снега под воздействием тепла и солнечной радиации и процесса перекристаллизации, приводящих к разрыхлению снежной толщи, вплоть до образования мелкодисперсной снежной массы в глубине этой толщи, и ослаблению прочности и несущей способности отдельных слоев.

При длине открытого склона горы 100–500 м создаются классические условия образования снежной лавины – для начала движения определённой скорости. Лавинные очаги принято делить на зоны: зарождение (лавиносбор), транзит (лоток), остановка (конус выноса) лавины.

Основные параметры лавинного очага:

–разность максимальной и минимальной высот склона в пределах лавинного очага;

–площадь лавинного сбора, его длина и ширина;

–количество лавинных очагов;

–средние углы лавиносбора и зоны транзита;

–сроки начала и окончания лавиноопасного периода. Классификация лавин, учитывающая природу их формирования,

представлена в табл. 2.31.

168

До 70 % лавин обусловлены снегопадами. Эти лавины сходят во время снегопадов или в течение 1–2 суток после их прекращения.

По частоте схода (повторяемости) различают лавины:

–систематические, сходят каждый год или один раз в 2–3 года;

–спорадические, сходят 1–2 раза в 100 лет и реже, место схода трудно определить.

В отдельных районах за зиму и весну систематические лавины могут сходить по 15–20 раз.

Обильные снегопады, а также землетрясения силой 5–6 баллов и более, являются причинами формирования катастрофических лавин.

В зависимости от факторов лавинообразования выделяют следующие виды лавин:

–возникающие из-за метеорологических условий – снегопадов, метелей, понижений температуры;

–возникающие из-за процессов, происходящих внутри снежной толщи, образование слоя глубинной изморози, снижение прочности снежного покрова под длительным действием нагрузки;

–возникающие по совокупности вышеперечисленных условий – весенние оттепели, изменение температуры воздуха.

Лавины метелевого типа преобладают в Хибинах (до 80 %) и реже встречаются в горах умеренных широт и южного пояса России. Лавины из свежевыпавшего снега преобладают в районах южного пояса Кавказа.

Результаты действия лавин на элементы инфраструктуры лавиноопасной территории: инженерные сооружения, транспортные и другие коммуникации, здания и сооружения – определяются характеристиками лавины (табл. 2.32). Для приближенных расчетов скорость перемещения фронта лавины (скорость лавины) может быть принята 50–90 м/с. Она выше скорости течения снежной массы за фронтом (в потоке). Сила удара достигает 0,4 МПа, а при наличии в лавине твердых включений – превышает это значение в несколько раз (до 200 т/м2). Удар фронта лавины по преграде сменяется воздействием на преграду давления обтекания, условно принимаемого квазистационарным.

169

Дальность выброса лавины, т. е. расстояние, которое может преодолеть лавина при наиболее благоприятных условиях, зависит от высоты её падения. Высота (или мощность) лавинного потока, чаще всего, составляет 10–15 м. Интервал времени между сходами первых и последних лавин в данном районе характеризует потенциальный период лавинообразования.

170

Движение сухой лавины сопровождается снежно-пылевым облаком. Перемещение такого облака подобно течению тяжелого газа. В отдельных случаях (высокие скорости фронта лавины, высокая плотность снежнопылевого облака) перед фронтом лавины возникает ударная волна. Воздействие ударной волны и снежно-пылевого облака сходно с действием воздушной ударной волны взрыва. Оно распространяется дальше границы выброса лавины.

Водонасыщенные лавинные потоки подобны гидравлическим потокам. Их действие рассчитывается так же, как действие воздухонасыщенной жидкости или селевой массы. Возможность достижения лавиной объекта оценивают по дальности выброса. Принято различать максимальную дальность выброса Lmax (определяемую расчетом для наиболее неблагоприятных условий) и наиболее вероятную Lср (среднемноголетнюю, определяемую по данным наблюдений).

Повторяемость схода лавин (особенно внутрисезонную) необходимо учитывать при планировании и выполнении работ в лавиноопасных районах. Лавины вовлекают в движение также породы, слагающие склоны. Они пропахивают на склонах крутостенные рвы с гладкими, отшлифованными бортами – лавинные лотки, которые сопровождаются лавинными прочесами – полосами, лишенными древесной растительности. Внизу, у основания склонов, скапливаются снесенные со склонов обломки, разбитые деревья, содранный дерн. Сильные лавины могут содрать рыхлые отложения на днищах долин, куда они спускаются, собрать эти отложения в гряды или забросить на противоположный склон долины, где из этих отложений образуются небольшие холмики.

171

На пологих склонах преобладает смещение верхней части «чехла» рыхлых отложений. Это может быть солифлюкция – быстрое течение переувлажненного, оттаявшего верхнего слоя грунтов. Солифлюкция характерна для районов вечной мерзлоты, но внешне похожий процесс течения переувлажненных грунтов – тропическая солифлюкция – происходит во влажных тропиках.

Впустынях встречается экстраординарная солифлюкция, возникающая при увлажнении возбухающих и начинающих течь при редких дождях грунтов, насыщенных солями. На склонах широко распространены крип и дефлюкция – медленное сползание или оплывание рыхлого грунта благодаря изменениям его температуры и увлажненности. Эти процессы происходят незаметно, породы сползают вместе с растительным покровом. Их можно заметить только в канавах, пересекающих склоны, по изгибанию корней растений и слоев пород.

Вгорных районах с резкими колебаниями температур и интенсивным физическим выветриванием пологие склоны и вершины гор покрыты скоплениями остроугольных обломков, носящих сразу несколько названий

–курумы, каменные россыпи, каменные моря. Обломки перемещаются вниз по склонам под влиянием нескольких процессов: гравитационного скольжения по расположенному ниже их слою мерзлоты или льда, текущей в их толще воды, образования и таяния в курумах ледяных стебельков. Сползающие по понижениям обломки собираются в «каменные реки».

Для разработки мер защиты от лавин требуются разнообразные знания о распространении и геометрии лавинных очагов, генетических типах, повторяемости и многих других характеристиках лавин. Первоначально эти знания получаются путем прямых наблюдений в экспедициях или на снеголавинных станциях. По мере накопления фактических данных появляется возможность сопоставить показатели лавинной опасности с геоморфологическими и метеорологическими факторами лавинообразования, чтобы получить косвенные методы оценки лавинной опасности для иных районов по общим сведениям об их рельефе и климате. Тем самым закладывается основа географии лавин – направления, необходимого в стране с таким большим разнообразием природы гор какое имеется в России.

Физическая сущность лавин

Снежный покров имеет внутреннее сцепление и сцепление с подстилающей поверхностью. Силы сцепления удерживают его на склоне, а та часть силы тяжести снежного покрова, которая направлена параллельно склону, стремится сдвинуть его вниз. Под ее воздействием снежный покров сползает по склону. Когда эта сила становится больше сил сцепления, происходит обрушение покрова. Непосредственной причиной обрушения могут стать уменьшение одной или обеих сил сцепления, увеличение толщины, а тем самым, и веса снежного

172

покрова, или комбинации этих событий, вызываемых различными метеорологическими причинами. Критическая высота снежного покрова h, при которой происходит его обрушение, зависит от внутреннего сцепления снега С, объемной массы снега γ, коэффициента внутреннего трения в снеге tg ϕ и угла наклона склона α следующим образом:

При наклоне α = 34–45° критическая высота сухого снежного покрова, имеющего некоторое внутреннее сцепление и сцепление с подстилающей поверхностью, измеряется немногими дециметрами. Она возрастает до бесконечности при углах наклона около 20° (рис. 2.11). Если же силы сцепления уменьшаются, (что бывает при намокании снега), снежный покров не может удержаться и на более пологих склонах. Поскольку топографические условия накопления снежного покрова различны, а его высота и физико-механические характеристики изменчивы во времени, смещения снега по уклону также разнообразны.

На рис. 2.12 приведены основные виды смещений, подразделенные в зависимости от угла наклона подстилающей поверхности и от содержания воды в водно-снежной массе. Выделяются четыре вида быстрых смещений (обрушений): лавины, водоснежные потоки лавиноподобные, водоснежные потоки селеподобные (сели снеготаяния), паводки снеготаяния; два последних вида относятся по существу к категории водных потоков. При некотором сочетании факторов даже толстый снежный покров не теряет устойчивости, но сползает целиком и настолько быстро, что его давление может быть разрушительным для разных сооружений.

10

1

1

Рис. 2.11. Отношение критической высоты сухого снежного покрова hi на склонах с разными углами наклона к его критической высоте на склоне с углом наклона (α) 40 %

Примечание: h40 при значениях tgϕ = 0,36 (кривая 2) и tgϕ = 0,30 (кривая 1)

173

Содержание воды, %

80

70

60

50

40

30

20

10

Рис. 2.12. Виды смещений снега в зависимости от угла наклона α° и от содержания воды в снежной толще, достигшей критической высоты:

1 – снежные лавины; 2 – лавиноподобные водоснежные потоки; 3 – селеподобные водоснежные потоки; 4 – паводки, снеготаяние; 5 – значительное сползание снежного покрова; 6 – устойчивый снежный покров; 7 – тонкий снежный покров

Различные причины нарушения устойчивости снежного покрова на склоне обобщаются в форме генетических классификаций лавин (табл. 2.33 и 2.34). Снежный покров, образующийся непосредственно во время снегопадов и (или) метелей, имеет минимальную плотность γ (0,03–0,20 г/см3) и сцепление С. Если прирост высоты снежного покрова идет достаточно быстро (более 10 мм слоя воды в сутки), ее величина может превысить критическую еще до окончания снегопада (метели). В этом случае и образуются сингенетические, т. е. одновременные с выпадением снега, лавины (по классу и типу 1,1–1,3). Если же этого не произошло, новообразованный снежный покров претерпевает метаморфизм.

На первой стадии метаморфизм заключается в оседании снега под воздействием силы тяжести (на 0,1–0,2 начальной толщины), сублимационном округлении и смерзании зерен, образующих в итоге довольно прочную пространственную решетку. При этом снег уплотняется (0,3– 0,4 г/см3), его внутреннее сцепление возрастает в несколько раз. Тогда для нарушения устойчивости снежного покрова на склоне требуются какие-то факторы, сильно уменьшающие его прочность и возбуждающие эпигенетические, т. е. образующиеся после выпадения снега.

174

21