Прогнозирование чрезвычайных ситуаций природного характера

Для определения максимального расхода селевого потока можно воспользоваться следующей зависимостью

Q_c = (1+0,1 lsin² ) Qⁿ, м³/c, (65)

где l - длина селевого очага, м;

- уклон селевого очага, град;

Qⁿ - максимальный расход селеобразующего паводка, м³/c, который определяется

Qⁿ = кSН_пл^3/2t / L, (66)

где S - площадь водной поверхности озера на уровне 80% высоты плотины, м²;

t - температура воды в озере , С;

k - коэффициент равный 6,2510^-3 м^1/2/(сградус).

Объем селевого потока рассчитывается по формуле

W_c= (1+0,12 lsin² ) Wⁿ, м³, (67)

где Wⁿ - объем водного паводка, который определяется:

для озера, подпруженного ледником

Wⁿ _л = 0,2SН_пл, (68)

для завального озера

Wⁿ _з= 0,25 S_m Н_пл, (69)

для моренного западинного озера

Wⁿ _мз = 5,510^-2 S_m ^3/2, (70)

для моренного термокарстового озера

Wⁿ _мт = 0,1 S_m ^3/2. (71)

где S_m - площадь водной поверхности озера при максимальном заполнении, м².

Скорость продвижения селевого потока можно определить по формуле

V_c = 11,4,м/с, (72)

где U_o - относительная гидравлическая крупность вовлекаемых в поток каменных материалов; U_o = 0,7-1,0;

- средний угол наклона селевого русла, град;

h - средняя глубина потока, м.

Для оперативной оценки величины h обычно принимают: для маломощного потока 1-1,5 м, среднемощного - 2-3 м; мощного потока 3-5 м.

Дальность продвижения селей определяется в два этапа.

На первом этапе рассчитывается дальность продвижения селевого потока в долине реки

L₁ = 12,1W_ci / (dB) , м, (73)

где i - средний уклон долины;

d - средний диаметр анкирующих обломков, принимаемый: для селевых врезов 0,5-0,8 м, для рытвин 0,3-0,4 м, и для очагов рассредоточенного селеобразования 0,1-0,2 м;

В - среднее расстояние между селевыми береговыми валами.

На втором этапе рассчитывается дальность продвижения селевого потока на конусе выноса, при условии, что L₁ > L_D

L₂ = , м, (74)

где i_k - средний уклон конуса выноса;

L_D - расстояние от конца селевого потока (очага) до вершины конуса выноса, м,

при условии L₁ > L_D , то L_c = L₁ ;

L₁ < L_D , то L_c = L_D + L₂ (75)

где L_c - дальность продвижения селя, м.

2. Сель от дождевого паводка

Величина максимального расхода дождевого паводка в зависимости от высоты слоя заданной обеспеченности рассчитывается по формуле

Q^d = k_c H₁ F , м³/с, (76)

где k_c - коэффициент дождевого стока, определяемый по таблице .

Значение коэффициента дождевого стока и переходного коэффициента для различных районов

Районы	Величина ,% при вероятности превышения, равной Р, %	кс10-3, с-1
	0,1	1,0	5,0	10
Северный Кавказ	1,4	1,0	0,75	0,6	4,2
Восточная Сибирь	1,5	1,0	0,7	0,56	2,52

- переходный коэффициент от слоев дождевого стока 1%-ной обеспеченности к слоям стока другой вероятности;

F - площадь водосбора, км ²;

Н₁ - максимальный суточный слой осадков 1%-ой обеспеченности, определяемой по данным ближайшей метеостанции.

Максимальный расход селевого потока от дождевого паводка определяется

Q_c ^d = (1+0,1 l sin² ) Q^d, м³/c , (77)

Объем водного паводка, вытекающего при выпадении осадков слоем заданной обеспеченности, определяется

W^d = 9,510² H₁ F , м³/с. (78)

Остальные показатели определяются по вышеуказанным зависимостям.

Расчетное давление селевого потока на плоскую преграду в зависимости от скорости и глубины определяется суммированием гидростатических и динамических давлений.

Гидростатическое (статическое) давление селя на сооружение не зависит от его формы и ориентации и определяется только плотностью и глубиной селевого потока.

Гидростатическое (статическое) давление по глубине потока распределяется линейно увеличиваясь с глубиной. Поэтому при расчетах целесообразно пользоваться средним статистическим давлением на половинной глубине селя

Р_с.ср =0,5 gh (79)

где Р_с.ср - среднее статистическое давление селевого потока на сооружение;

- плотность потока, кг/м³;

g- ускорение свободного падения, 9,8 м/с;

h - глубина селевого потока, м.

Динамическое давление селя на сооружение зависит от плотности, скорости и угла встречи селя с преградой.

При движении селя скорости частиц (массовая скорость) у дна меньше, чем в средней и верхней части потока.

Однако различие невелико и им можно пренебречь. Следовательно, можно считать, что поток движется с равномерной по глубине скоростью

Р_g =0,5 СV_c, (80)

где Р_g - динамическое давление селя на преграду (давление скоростного напора селя);

С - коэффициент взаимодействия потока селя с преградой ( С = sin² , для случая действия селевого потока на нормали к преграде ( = 90 ), когда давление будет максимальным, С = 1); - угол величины встречи потока с преградой;

V_с - скорость продвижения селевого потока, м/с, которая может быть определена по эмпирической зависимости

V_с = 11,4к, (81)

где к - коэффициент, учитывающий относительную гидравлическую крупность вовлекаемых в поток каменных материалов и средний угол наклона селевого русла.

Если провести анализ получаемого динамического давления по зависимости (80), то можно сделать вывод, что угол встречи оказывает значительное влияние на величину этого давления. Так, например, при скорости потока 5 м/с, плотностью 1500 кг/см³, при =90, 45 и 30 динамическое давление составляет соответственно 0,0187; 0,0938 и 0,0469 МПа, т.е. при 45 давление упало вдвое, а при 30 - более чем в четыре раза. Однако для суммарного давления потока на преграду угол встречи оказывает значительно меньшее влияние, поскольку для глубины потока более одного метра вклад статического давления превышает динамическую составляющую.

Из вышесказанного следует, что суммарная смещающая сила, действующая на объект, может быть определена

N = F(P_с.ср + P_g) или N = F(0,5 gh + 0,5 СV_c), (82)

где F - площадь проекции обтекаемой части объекта на плоскость, перпендикулярную направлению движения селя, м².

Для оценки ожидаемого характера повреждений и разрушений различных зданий и сооружений необходимо определить суммарную нагрузку, действующую на объект и сравнить с данными таблицы.

Прогнозирование времени до начала прорыва озера, подпруженного ледником базируется на оценке достижения уровня воды 80 - 85 % высоты перемычки (Н_пл). Для этого необходимо определить суточный подъем уровня воды в озере (h), разность высотных отметок между уровнями 4 и 3 (см. расчетную схему), площадь водной поверхности (S) к моменту прорыва. При наличии этих данных время (t) до начала прорыва можно определить по следующей зависимости.

Степени повреждения объектов при воздействии селевых потоков

Объекты	Разрушение	Сильное повреждение	Среднее повреждение	Слабое повреждение
1	2	3	4	5
Здания со стальными и железобетонными каркасами	0,90...1,50*	0,75...0,90	0,75...0,81	0,45...0,81
Здания с легким металлическим каркасом или бескаркасной конструкции	0,75...1,05	0,45...0,75	0,30...0,45	0,15...0,30
Здания из сборного железобетона	0,60...1,90	0,45...0,60	0,30...0,45	0,15...0,30
Кирпичные здания, бескаркасные, с покрытием из железобетонных элементов, малоэтажные	0,68...0,98	0,5..0,68	0,30...0,53	0,20...0,30
Тоже многоэтажные (три этажа и более)	0,5..0,68	0,38...0,53	0,2..0,38	0,15...0,23
Склады-навесы из железобетонных элементов	1,50...1,60	1,20...1,50	0,5..1,20	0,30...0,53
Административные многоэтажные здания с металлическим и железобетонным каркасом	0,75...0,90	0,60...0,75	0,45...0,60	0,30...0,45
Деревянные здания	0,30...0,45	0,18...0,30	0,12...0,18	0,09...0,12
Здания фидерной и трансформаторной подстанции из кирпича или блоков	0,90...1,20	0,60...0,90	0,30...0,60	0,15...0,30
Здания ГЭС (монолитный железобетон)	4,50...5,00	3,00...4,50	1,50...3,00	0,75...1,50
Наземные стальные газгольдеры, резервуары для хранения нефте- и химпродуктов	0,60...0,68	0,45...).6	0,30...0,45	0,2..0,30
Тоже частично заглубленные	1,50...1,60	1,20...1,50	0,75...1,20	0,45...0,75
Стальные и железобетонные подземные резервуары для нефте- и химпродуктов	3,00...3,20	1,50...3,00	1,05...1,50	0,60...1,05
Водонапорные башни	0,90...0,98	0,60...0,90	0,30...0,60	0,15...0,30
Воздушные линии низкого напряжения	2,50...2,60	1,50...2,50	0,90...1,50	0,60...0,90
Тоже высокого напряжения	1,05...1,13	0,75...1,05	0,45...0,75	0,38...0,45
Подземные стальные трубопроводы диаметром до 35 см.	30,00...34,00	23,00...30,00	15,00...23,00	9,00...15,00
Тоже , свыше 35 см.	15,00...18,00	9,00...15,00	5,50...9,00	3,00...5,50
Подземные чугунные и керамические трубопроводы	30,00...33,00	15,00...30,00	9,00...15,00	3,00...9,00
Трубопроводы на металлических и железобетонных эстакадах	0,75...0,90	0,60...0,75	0,50...0,60	0,30...0,50
Заглубленные сети коммунального хозяйства (водопровод, газопровод, канализация)	23,00...25,00	15,00...23,00	6,00...15,00	2,50...6,00
Радиорелейные линии телефонно-телеграфной связи	1,80...1,90	1,05...1,80	0,75...1,05	0,45...0,75
Воздушные линии телефонно-телеграфной связи	1,50...1,70	0,90...1,50	0,60...0,90	0,30...0,60
Кабельные подземные линии связи	1,60...1,80	1,00...1,60	0,65...1,00	0,40...0,65
Мосты из металла и железобетона пролетом до 50 м.	3,80...4,50	3,00...3,80	2,30...3,00	1,50...2,30
Деревянные мосты	2,50...3,00	1,60...2,50	0,90...1,60	0,60...0,90
Земляные плотины	15,00...20,00	12,00...15,00	10,00...12,00	3,00...10,00
Бетонные плотины	150	75,00...140,00	30,00...75,00	15,00...30,00

* Указано суммарное давление селевого потока (10⁵ Па)

, (83)

где S_н - площадь зеркала озера к началу прогноза.

Методика возможного прорыва моренных озер основывается на данных метеостанций о высоте нулевой изотермы, среднесуточных температурах воздуха текущего года и за многолетний период и предусматривает определение следующих величин:

1. Сумма Т_N среднесуточных температур t_i за период с 1 мая текущего года на дату выдачи прогноза

, (84)

где N - порядковый номер даты выдачи прогноза. Дата 1 мая соответствует N=1.

2. Сумма Т_N среднесуточных температур Т_nj за период с 1 мая на дату выдачи прогноза по многолетним данным

, (85)

где М - число лет наблюдений.

Сумма Т^*_N среднесуточных температур за 10 суток, предшествующих дате прогноза

. (86)

4. Сумма Т^*_N среднесуточных температур Т^*_Nj за многолетний период

. (87)

5. Высота нулевой изотермы Н_N в день выдачи прогноза.

6. Сумма высот нулевой изотермы Н_N соответствующая дню выдачи прогноза, по многолетним наблюдениям

. (88)

Прогноз “Прорыв озера возможен” выдается, если выполняются одновременно три неравенства

1.08Т_N < T_N;

1,1Т^*_N < Т^*_N;

1,15 Н_N < Н_N.

4. Расчет основных параметров лавин

Основными параметрами при планировании и выполнении работ по ликвидации схода лавин, являются: количество и площадь лавинных очагов; сроки начала и окончания авиноопасного периода; объем лавин; скорость движения; дальность выброса и сила удара; высота лавинного потока.

Количество и площадь лавинных очагов могут быть определены по топографической карте (масштаб 1:25000 ... 1:50000), по рельефу местности или на основе данных разведки и ближайших метеостанций.

Сроки начала и окончания лавиноопасного периода определяют по периоду залегания устойчивого снежного покрова (по данным метеостанций) с учетом вертикального градиента, составляющего примерно 6...7 дней на 200-250 м высоты.

Степень устойчивости снежных масс оценивают показателем k_y=_y/ , где _y - предельное сопротивление сдвигу в плоскости возможного скольжения, - касательное напряжение в этой плоскости от собственного веса снега. Возникновение лавин возможно при k_y < 4 , а при k_y < 1 - неизбежно.

Объем лавин рассчитывается по формулам

V_max = Sh_max; V_ср = kSh_ср, (89)

где S - лавиноактивная площадь;

h_ср, h_max - средняя и максимальная высота снежного покрова в очаге (по многолетним данным);

k 0,5 - эмпирический коэффициент.

Скорость лавины определяется по формуле

, (90)

а динамическое давление на поверхность препятствия, расположенного перпендикулярно направлению движения лавины, равно

p_n = k₁ ¹/₂ U² = 2gh_c, (91)

где - плотность лавинного снега, кг/м³, принимаемая равной 300 кг/м³ для лавины из свежевыпавшего снега, 400 кг/м³ для лавины из старого снега, 500 кг/м³ для лавины из мокрого снега;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h_c - высота лавинного снега перед препятствием, которая определяется путем построения поперечного разреза лавинного очага по траектории движения лавины.

Суммарная нагрузка на препятствие типа столбов при их обтекании лавиной определяют по формуле

N = 0,5U²S, (92)

где S - площадь проекции обтекаемого препятствия на плоскость, перпендикулярную направлению движения лавины, м².

5. Прогнозирование оползней

Большую часть потенциальных оползней можно предотвратить, если своевременно принять меры в начальной стадии их развития. Среди различных мероприятий особенно важное значение имеют контроль и прогнозирование оползневых процессов. Они необходимы для расположения объектов в безопасных местах; своевременного предупреждения возникновения новых или предотвращения опасной величины и скорости смещения уже существующих оползней; выявления необходимости борьбы с оползнями или возможности эксплуатации объектов без укрепления склона.

Для предотвращения возникновения оползней необходимо организовать контроль за состоянием склонов и соблюдением охранно-противооползневого режима, а также проводить комплекс противооползневых мероприятий с учетом гидрогеологических условий и характеристики оползневого участка. Необходимые для этого данные наносят на крупномасштабные карты. На них должны быть указаны: устойчивость склонов; возможность производства земляных работ; гидрогеологические условия района; возвышенности и косогоры; места расположения стоков, дренажных бассейнов, затопляемых участков и распределение подземных вод. На эти же карты наносят места прошлых оползней и районы возможного оползания. К карте прилагается пояснительная записка с подробным описанием оползневого района (участка).

Теоретический прогноз оползней достаточно сложный, как правило, производится специалистами оползневых станций (по данным многолетних наблюдений) и может быть только вероятностным. Принципиальная схема вероятностного прогноза возникновения нового оползня на естественном склоне в заданном районе и в заданный период времени Т (по Е.П. Емельянову) состоит в следующем:

1. Получение исходных данных:

Определяют среднюю годовую величину коэффициента К^н_ср устойчивости данного склона в настоящее время (т.е. на начало периода Т), под которым понимают отношение суммарного сопротивления сдвигу вдоль какой-либо потенциальной поверхности скольжения к сумме сдвигающихся усилий вдоль этой поверхности

К^н_ср = С_i Дl_i / _i Дl_i , (93)

где С_i - сопротивление сдвигу на i-ом участке,

_i - касательная напряжения,

l_i - абсолютная деформация.

Рассчитывают среднюю скорость необратимых изменений коэффициента устойчивости склона (за год в настоящее время и ее прогноз на период Т) К_ср = f (Т).

Определяют зависимость амплитуды А обратимых колебаний коэффициента устойчивости склона от показателей F соответствующих факторов - А = f (F).

Рассчитывают среднюю величину годовой амплитуды А_ср отрицательного отклонения коэффициента устойчивости склона и вероятной максимальной ее величины А_max за период Т.

2. Анализ данных:

Определяют возможность оползня; конечная средняя годовая величина коэффициента устойчивости склона К^к_ср в конце прогнозируемого периода Т составит

К^к_ср = К^н_ср - Т х ДК_ср ,

если К^к_ср - А_max 1 - оползень маловероятен;

К^к_ср - А_max 1 - оползень возможен;

К^к_ср - А_ср 1 - вероятность оползня очень велика.

Рассчитывают вероятное время t_оп смещения оползня (лет от начала прогнозируемого периода), т.е. наиболее вероятно смещение оползня в этот период по формуле

(К^н_ср - А_max - 1)/ ?К_ср до (К^н_ср - А_ср - 1)/ ?К_ср. (94)

Определить вероятное время возникновения оползня в горизонтальных склонах.

Исходные данные:

Прогнозируемый период Т = 50 лет; значение среднего начального коэффициента устойчивости склона К^н_ср = 1,27. Сравнительно равномерный подмыв подошвы склона и сопутствующие процессы обуславливают среднее годовое уменьшение коэффициента его устойчивости ?К_ср = 5 х 10 ^-3; среднее годовое отрицательное отклонение коэффициента устойчивости склона в результате колебаний его водонасыщения и перегрузки основания наносами А_ср = 3 х 10^-2.

Максимальное негативное отклонение коэффициента устойчивости склона за 50 лет (соответствующее наиболее неблагоприятному сочетанию факторов в течение года 2%-й обеспеченности) А_max = - 0,1.

Наиболее вероятное смещение оползня по формуле 94 следует ожидать в период

от (1,27 - 0,10 - 1,0)/0,005 до (1,27 - 0,03 - 1,0)/0,005

т.е. через 34...48 лет. Следовательно, возведение на этом склоне объекта со сроком амортизации 50 лет и более, требует дополнительного проведения противооползневых мероприятий. Тем не менее временные (рассчитанные на 10...15 лет) объекты в настоящее время и в ближайшие годы возводить можно.

На практике обычно заблаговременно выявляют условие, изменение которого способно вызывать оползни участка склона, и выполняют все противооползневые мероприятия, повышающие устойчивость пород. Для этого в пределах выявления причин возникновения оползневых смещений, изучения их динамики и определения противооползневых мероприятий наблюдение ведут специальные посты со специалистами оползневых станций, в задачу которых входит контроль: за колебанием уровней воды в колодцах дренажных сооружений, в буровых скважинах, реках, озерах и водохранилищах; за режимом подземных вод; скоростью и направлением оползневых смещений; выпадением и стоком атмосферных осадков. На наиболее ответственных участках такие посты оборудуют створы глубинных реперов и наблюдают за ними. В качестве реперов обычно используют буровые штанги длиной 2...2,5 м. В районах глубокого промерзания штанги-реперы устанавливают на глубину до 3 м и заливают раствором цемента. Особенно внимательно наблюдение за реперами ведут в осенне-весенний период, когда выпадает наибольшее количество осадков (являющихся одной из основных причин возникновения оползней).

На основании анализа результатов проведенных наблюдений выявляют оползневые районы и выполняют противооползневые работы на тех участках, где зафиксировано смещение пород.

6. Прогнозирование заторов и зажоров

Целью прогнозирования заторов (зажоров) является определение максимального заторного (зажорного) уровня воды и даты его наступления.

Предварительная стадия прогнозирования включает оценку возможности образования затора (зажора). Для этого по картам определяют затороопасные (зажороопасные) участки, ориентировочные величины подъемов заторных (зажорных) уровней воды и повторяемость заторов (зажоров).

Прогноз максимальных заторных уровней воды и другие необходимые сведения запрашиваются в территориальных управлениях гидрометеослужбы и контроля природной среды (УГКС).

Для определения возможностей преодоления водной преграды на затороопасных участках организуются аэровизуальные и наземные наблюдения. По величинам максимальных заторных (зажорных) уровней воды определяют возможную зону затопления, которую наносят на топографическую карту. Прогнозирование заторов (зажоров) льда может осуществляться как при наличии данных гидрометеорологических наблюдений, так и при их отсутствии.

Для прогнозирования максимального заторного уровня воды по данным метеорологических наблюдений необходимо знать расход воды, температуру воздуха и сведения о ледовой обстановке. По этим данным строят совмещенные хронологические графики расходов и уровней воды для ряда гидрологических постов, позволяющие иметь сведения о ледовых фазах при наличии и отсутствии ледовых явлений. По материалам ледомерных съемок, которые производятся либо механическим бурением, либо с помощью радиолокационных приборов типа "Лед", "Ледостав" и т.п. строят продольные профили ледяного покрова. По этим же данным составляют схемы ледовой обстановки на главной реке и ее протоках. В результате анализа колебаний уровней воды устанавливают места и сроки образования заторов и зажоров, а также определяют уровни подъема воды. Данные о максимальных уровнях воды составляют по результатам многолетних наблюдений за максимальными расходами и уровнями воды при заторах (зажорах).

При отсутствии данных гидрометеорологических наблюдений исходными данными являются: уровни и расходы воды; уклоны водной поверхности; глубина и скорости течения, а также ширина открытого русла. Уклон, глубину и ширину русла определяют промерами и нивелировкой урезов воды и берегов. Скорость течения можно измерить или рассчитать, а расход воды определить по формуле

Q = V w, (95)

где V - средняя скорость течения в створе, м/с;

w - площадь поперечного сечения русла, м².

Средняя скорость течения в створе может быть вычислена по формуле (96)

, (96)

где n - коэффициент шероховатости;

h - средняя глубина русла, м;

J - уклон водной поверхности.

Для проведения измерений необходимо организовать временные водомерные посты. Время перемещения кромки ледяного покрова определяют по средним многолетним данным вскрытия, сведения о которых имеются в справочнике "Основные гидрологические характеристики". Для прогноза используют зависимости максимального заторного (зажорного) уровня воды от расхода воды у кромки ледяного покрова и средней температуры воздуха.

Заблаговременность прогноза для узких горных рек может составлять от нескольких часов - по мере увеличения длины реки и уменьшения уклона - до нескольких суток, а на крупных долинных реках - 15...20 сут.

Размещено на Allbest.ru

...