Селевые потоки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Сели

Сель или силь, мур -- термин, взятый из арабского языка и означающий горный, быстронесущийся поток. В отличие от обычного горного потока под термином сель понимают кратковременный мощный паводок на горных реках, несущий очень много (до 75% общей массы потока) твердого обломочного материала (глыб, щебня, валунов, гальки, песка) и глинистого мелкозема, возникающий в результате интенсивных ливней или бурного снеготаяния в условиях накопления большого количества продуктов выветривания и значительных уклонов, обладающий большой разрушительной силой.

Селевые потоки -- широко распространенные и типичные для горных и предгорных областей взаимообусловленные русловые и экзогенные геологические процессы.

Живая сила потока возрастает пропорционально произведению движущейся массы на половину квадрата скорости течения, и он становится способным совершать огромную геологическую работу по размыву, переносу и отложению обломочного материала. Это качественное отличие селей позволяет рассматривать их как один из видов геологических явлений. Селевые потоки образуют определенный тип континентальных отложений - пролювиальных. Они обычно слагают конусы выноса, пролювиальные шлейфы и покровы в устьях горных рек, речек и временных потоков, на предгорных равнинах и в межгорных впадинах.

Эрозионная и аккумулятивная деятельность селей сопровождается разрушением территорий и сооружений, приносит значительный материальный ущерб, а в отдельных случаях человеческие жертвы. Сели на своем пути разрушают все: мосты, дороги, линии связи и электропередачи, трубопроводы, плотины, гидроэлектростанции, сельскохозяйственные угодья. В зоне действия селей под постоянной угрозой находятся многочисленные селения.

У равнинных рек твердые расходы составляют 100-200г/м3, у горных вода мутная, вмещает 9-12кг/м3. Плотность селей от 1,12-1,20 до 1,50- 1,90 т/м3.

В зависимости от преобладающего состава твердого материала сели могут быть водокаменными, грязекаменными и (условно) грязевыми. Скорости движений обычно 3-5 м/с; в случаях мощных селевых потоков до 10-11 м/с.

Сели внезапны и кратковременны, проходят с большими скоростями течения за несколько часов (до 3-5 ч), часто волнами из-за образующихся заторов, которые последовательно прорываются под напором накапливающихся масс. В таких случаях продолжительность селевых паводков возрастает иногда до 8--12 ч. Сели не являются определенной характерной чертой режима водного потока, они возникают неожиданно при стечении определенных условий, их формирующих. Говоря о времени их образования, можно называть только наиболее вероятный период.

Природные факторы-условия возникновения селей:

горный или холмистый рельеф с крутыми, преимущественно обнаженными, склонами и значительными (не менее 0,10) уклонами русел рек и тальвегов временных водотоков;

наличие значительных запасов рыхлообломочного материала на склонах долин и в руслах водотоков;

интенсивный склоновый и русловый сток, обусловленный климатическими условиями -- выпадением значительного количества атмосферных осадков, реже -- бурным снеготаянием.

Природные факторы, способствующие возникновению селей:

1)процессы выветривания -- физическое, особенно морозное, и химическое; сель горный эрозионный геологический

2)процессы, развивающиеся на склонах, -- оползни, обвалы, осыпи, оплывины, плоскостной смыв;

3)благоприятные геоморфологические условия -- большой бассейн питания, форма гидрографической сети бассейна с веерообразным расположением притоков, извилистость и сужения русел рек и т. д.;

4) климатические особенности района - количество осадков, интенсивность и частота выпадения ливней;

5)распространение и характер растительности -- отсутствие травяной и главным образом лесной растительности на водосборе и характер почвенного покрова;

6)сейсмические явления.

Главные условия образования селей:

1. Климат и микроклимат района, с которыми связано неравномерное распределение осадков, образование ливней, накопление снега и ледников и бурное их таяние в определенные летние периоды.

2. Геоморфологические условия (сильно расчлененный рельеф), определяющие размеры и форму водосборных бассейнов, высотное их положение, уклоны поверхностей рельефа и строение долин горных рек и временных водотоков.

Геологические условия, определяющие накопление рыхлого материала в водосборных бассейнах (мощность делювия) или в некоторых их частях, развитие разнообразных геологических процессов (выветривание, гравитационные и др.), участвующих в образовании этого материала, а также древние, новейшие и современные тектонические движения.

Деятельность человека, вызывающая нарушение естественных природных равновесий на водосборах.

Причиной селевых процессов, их движущей силой, являются паводки -- интенсивный поверхностный сток в результате ливней, бурного таяния снега и ледников в горах, а иногда прорывы вод из естественных и искусственных водоемов.

В большинстве случаев селевые явления связаны с интенсивными осадками ливневого характера; реже - с интенсивным таянием ледников и снега в горах. Другие причины: смешанное питание селевых паводков дождевыми и талыми водами; прорывы ледниковых (напр, на р. М. Алмаатинке в 1973 г.) и неледниковых озер и искусственных водоемов.

Сели часто возникают при продолжительных дождях, длящихся несколько часов, которые усиливаются короткими (до нескольких минут) ливнями интенсивностью 0,8--1,2 мм/мин и более. Решающим же условием является степень подготовленности рыхлообломочного материала.

Расход паводка должен определяться количеством дождевых и талых вод, поступающих в водосборный бассейн, скоростью и одновременностью их добегания до главного водотока, на котором формируется сель; они определяются размерами и формой водосборного бассейна и уклонами поверхности его рельефа.

Выделяют селевые бассейны и селевые потоки. Селевый бассейн - это территории, где встречаются селевые потоки.

В селевом бассейне выделяют три зоны:

1.Зону питания или селеобразования - часть бассейна, в которой происходит накопление рыхлообломочного материала и формирование селевого потока.

Транзитную зону - часть бассейна, где происходит движение селевого потока и его пополнение твердым материалом за счет разрушения склонов долины.

Зону накопления - часть бассейна, в которой происходит затухание селевых потоков и отлагаются наносы, образующие конус выноса.

Для инженерно-геологических расчетов используется классификация селевых потоков, учитывающая их динамическую структуру в зависимости от насыщенности твердым материалом и фракционного состава селевой массы: связные, или структурные, и несвязные, или турбулентные.

К связным селям относятся селевые потоки, в процессе движения которых вода практически не отделяется от твердой фазы и происходит гравитационное перемещение всей селевой массы. Они обладают большим объемным весом (до 1,8-2,0 г/см3) и громадной разрушительной силой.

К несвязным селям относятся потоки, движение которых подчиняется общим законам гидродинамики. Вода в них транспортирует твердый материал, который в процессе движения (в зависимости от русловых условий) либо откладывается, либо переносится к конусу выноса.

По характеру локализации первичных очагов зарождения выделяют сели регионального и локального проявления.

К селям регионального проявления относятся селевые потоки, которые в пределах данного бассейна характеризуются общностью геолого-геоморфологических условий и в большинстве случаев приурочены к одинаковым климатическим зонам (ливневые сели).

Сели локального проявления характеризуются строго локализованными очагами формирования, не имеющими достаточного геолого-геоморфологического сходства с другими свойственными данному бассейну очагами (сели прорыва ледниковых озер).

Основные характеристики селевых потоков:

1)скорость движения;

2)объемный вес или плотность;

3)расход или ударную силу потока;

4)содержание крупнообломочного материала в единице объема;

5)характер движения;

6)радиус действия потока.

По условиям и механизму образования (генетический признак) различают селевые потоки, возникшие в результате:

преобладающих процессов размыва водными паводками ранее накопленных в русле и на бортах обломочно-песчано-глинистых город;

процессов оползания, осыпания, смыва, пролювиального выноса и других с бортов долины, накопления которых создают заторы и преграды русла с одновременным резко выраженным неравномерным размывом; очаги зарождения селей подразделяются на оползневые, обвальные, курумные, пролювиальные, ледниковые и лавовые, в которых создаются временные запруды, а после размыва их скорости и расходы водных потоков возрастают во много раз.

В обеих схемах селеобразования возможны две формы начала движения обломочно-глинистых масс. Первая - обвал, оползень или курум, сместившийся в русло, частично или полностью его перекрывший, далее двигается вниз по водотоку, вовлекая в движение другие накопления, разрыхляясь, водонасыщаясь и размываясь, а затем превращаясь в типичный селевой поток. В этом типе движения селевого материала вначале преобладают деформации сдвига, в которых преобладает трение, а затем массы становятся более водонасыщенными и вязкими, изменяется характер их смещения. Вторая -- размыв имеющихся обломочно-глинистых накоплений, пополняемых с бортов долины; трение перекатывания и сдвига обломков также имеют значение. При наложении водного паводка на обломочно-глинистые накопления в долине помимо основного процесса -- размыва - происходит их увлажнение, взвешивание и общее разрыхление, сопровождающиеся пульсационным фильтрационным воздействием, которые способствуют образованию селевого потока. В начальной фазе формирования селей происходят как деформации сдвига, так и размыв обломочно-глинистых масс. Механизм формирования селевых потоков определяется сочетанием конкретных геологических и гидрологических фактов в каждой долине.

Расчеты скоростей, расходов и других характеристик связных селевых потоков глинистого («грязевого») и обломочно-глинистого состава («каменно-грязевого») основываются на уравнении Шведова-Бингама:

;

где - сдвиговое усилие; о - предельное сопротивление сдвигу;

- вязкость среды, эффективная; - градиент скорости.

В зависимости от величин и имеют место деформации -- оползневое смещение ( близко к 0) или течение вязкой жидкости (о ~ 0). В реальных селевых потоках, так же как в оползнях-потоках и солифлюкции, действуют оба показателя, величины которых зависят от гран. и минсостава (особенно глинисто-коллоидной составляющей), плотности, текстуры и обводняемости.

Вязкость водонасыщенных обломочно-глинистых масс различна в состоянии покоя и движения (или при вибрационном воздействии), что обусловлено их тиксотропными свойствами.

Сопротивление сдвигу снижается, если водонасыщенные обломочно-глинистые грунты будут подвергаться сейсмическому воздействию волн соответствующей амплитуды и частоты. В этом может отразиться влияние малых и средней силы природных и иных сотрясений на формирование селевых потоков.

В Инструкции ВСН-03-76 рекомендуются средние скорости vcр селевых потоков определять по эмпирической формуле vcр =1.14;

где hcp - средняя глубина потока, м; I - средний уклон водотока на расчетном участке; wот -- коэффициент текучести селевой массы.

Максимальная поверхностная скорость движения vмaкс селей по натурным наблюдениям примерно в 1,8 раза больше средней.

Переменная скорость движения волны паводка на любом расстоянии l от створа прорыва без учета шероховатости русла оценивается по формуле:

vf = ; где х = l/h;

k = 0,002; l - расстояние от створа прорыва; h - наибольшая высота волны у плотины прорыва; е - основание натурального логарифма.

Паводок прорыва обладает огромной размывающей силой и селеобразующей способностью, которую приближенно можно оценить через концентрацию твердой составляющей S0 по формуле:

S0 =0 655;

где - коэффициент, косвенно характеризующий эродируемость территории, имеющий средние значения для берегов и русел, сложенных: 1) прочными, трудноразмываемыми породами, = 0,02; 2) размываемыми, с наличием оползней и осыпей = 0,3 и 3) легкоразмываемыми грунтами = 0,6-1,0; i -- уклон русла.

Расход селевого потока по сравнению с начальным водным стоком у створа прорыва возрастает в 5--6 раз.

Ориентировочный расход селя Qc при прорывах запруд определяют по формуле (инструкция ВСН-03-76) :

Qc = Qв ;

где Qв -- максимальный расход водного потока; So -- расчетная объемная концентрация; а величина <6.

Прогноз селевых потоков включает:

- прогноз места и времени возникновения, типа, объема и зоны выхода селевого потока;

- прогноз количества, интенсивности и распределения во времени атмосферных осадков, таяния снега и ледников с образованием временных ледниково- моренных озер и их прорыва;

- прогноз водных паводков во времени и гидравлических показателей (скорости, расходы, энергия) и по генезису -- ливневые, снегольдотаяния, прорыва озер;

- оценку количества, литологического состава и размываемости существующих в долине селеобразующих пород и прогноз их накопления во времени в русле и на бортах долины;

- прогноз условий и механизма процессов в очаге возникновения селя, роль оползней, осыпей и пролювиальных выносов из боковых притоков, значение размыва пород в русле;

- прогноз механизма движения селевого потока в зоне транзита, его геомеханическая модель, вероятности заторов, исходя из состава, плотности, показателей сопротивления сдвигу, вязкости и размываемости селевых масс.

У гидрометеорологов в понятие «прогнозирование селей» включается прогноз селей по времени добегания и прогноз селеопасности района.

Прогноз селеопасности -- это оценка обстановки, при которой вероятность возникновения селя резко возрастает, он составляется на основании анализа следующих признаков селеопасности:

1) для селей ливневого происхождения - условий выпадения дождей и образования дождевого стока во взаимосвязи с характером площадей, на которых они действуют;

для селей ледникового происхождения - учета максимальной интенсивности таяния снега и ледникового стока, а также возможности прорыва водоемов;

для селей смешанного происхождения - оценки возможности совпадения максимальной водоотдачи из тающего снега с интенсивными ливнями.

Инженерно-геологические исследование селевых районов:

1стадия - геоморфологическая съемка - внимание сконцентровано на литологическом составе делювия, его мощности и на изучении селевых конусов выноса. Составляется паспорт на каждый селевый конус выноса и на каждый селевый цирк (место зарождения и предел распространения).

Аэрофотосъемка во время зарождения и прекращения действия.

2 стадия - исследование эффективности противоселевых сооружений.

Защитные мероприятия

предупредительные и профилактические, предотвращающие или существенно ослабляющие водные и селевые потоки;

селерегулирующие, которые контролируют главным образом движение селей и аккумуляцию выносимых масс в параметрах безопасных для существующих сооружений и территории, при минимальных материальных ущербах;

селезадерживающие инженерные сооружения.

Размещено на Allbest.ru