К вопросу о прогнозировании схода снежных лавин

К ВОПРОСУ О ПРОГНОЗИРОВАНИИ СХОДА СНЕЖНЫХ ЛАВИН

А.С.Соловьев, к.ф-м.н., А.В.Калач, к.х.н., доцент, О.М. Лебедев

Воронежский институт ГПС МЧС России

С физической точки зрения лавина представляет собой быстрый сход с горного склона снежного покрова под действием силы тяжести. При этом, сначала снег, отложившийся на горном склоне, начинает постепенно и медленно сползать. Верхние слои снега опережают при сползании нижние. Самый нижний слой, примыкающий к грунту, зачастую остается неподвижным. Такое движение соответствует распределению скоростей в слоях текущей жидкости, т.е. можно утверждать, что снег "течет" по склону. Когда скорости и напряжения в этом потоке достигают некоторых критических пределов, медленное течение скачкообразно переходит в бурный лавинный поток. На некотором расстоянии от гребня склона в снежном покрове образуется линия отрыва, за которой начинается беспорядочный сход нижележащего снега, увлекающего за собой новые снежные массы по пути следования, так называемой зоной транзита. Масса низвергающегося снега с воздушными промежутками называется лавинным телом. У выхода в долину склон становится по-ложе и скорость лавины уменьшается вплоть до полной остановки. Снег нагромождается в виде лавинного конуса выноса.

Начало и конец движения массы снега типичны почти для всех лавин, но сами лавинные потоки существенно отличаются друг от друга, в зависимости от типа снега (сухой, мерзлый или влажный). В соответствии со свойствами снега лавины называются сухими и мокрыми. Тип движения лавин зависит от формы и размеров склонов. Защита от лавин, борьба с ними немыслима без знания закономерностей, управляющих лавинами.

Известно, что условия возникновения лавин определяются их типами. М. Отуотер [1] различает два типа лавин: кратковременного и замедленного действия. Первые находятся в тесной причинной связи с внешними, а также погодными факторами. Главная причина возникновения лавин замедленного действия - длительные внутренние изменения в самом снежном покрове. Надежно установить опасность подобных изменений в пласте снега можно с помощью рытья шурфов.

К основным факторам, способствующим возникновению лавин кратковременного действия относятся: угол склона с горизонтом, высота снежного покрова на склоне, характер поверхности склона и снега, интенсивность и общая продолжительность снегопадов, направление и сила ветров, метелевый нанос снега на склон, дожди при оттепелях.

Лавиноопасными считаются склоны, наклоненные к горизонту под углом 25-55°. Снег на них удерживается силами сцепления, величина ко-

торых зависит от гладкости подстилающих поверхностей. Неровная поверхность, густой лес на склонах предохраняют снег от падения. Однако не всякая растительность способствует удержанию снега. Например, стебли густой высокой травы и ветви гибких кустарников под действием снежной нагрузки расстилаются вниз по склону, образуя опасную поверхность скольжения. Свежий снег, выпавший на гладкую, затвердевшую поверхность снежного покрова, может легко соскользнуть вдоль этой поверхности. Известно, что чем больше высота снежного покрова на склоне, тем вероятнее сход лавины. При превышении некоторой критической высоты Нп возможна лавина. Как правило, минимальные значения этой критической высоты - 25-30 см, хотя известны сходы и более тонких пластов. Очень быстрый прирост снежного покрова не оставляет времени для его упрочения и развития связей с подстилающей поверхностью.

Интенсивность снегопада измеряется в сантиметрах снега, выпавшего за час. Практикой установлено, что при интенсивности снегопада более 2 см/ч и длительности его до 10 ч и более лавинная опасность весьма велика. При холодных ветрах со скоростью свыше 10-15 м/с (измеренной на высоте флюгера метеорологической станции, т. е. около 10 м) ускоряются процессы метаморфизма в снежном покрове. Нижние слои снега разрыхляются, а верхние, наоборот, уплотняются за счет кристаллизации охлажденных паров. Рыхлые слои в конце концов не выдерживают тяжести вышележащих плотных снежных досок. Возникает лавина, так и называемая лавиной из снежных досок. Если ветры сопровождаются метелью, склон отягощается дополнительным грузом метелевого снега с образованием т.н. «карнизов», обрушение которых приводит к образованию лавины.

Метель - один из наиболее серьезных признаков лавинной опасности. Лавины почти неизбежно начинаются или одновременно с ней или через несколько часов после сильной метели. При длительных оттепелях и весной снежный покров на склонах становится в верхних слоях или по всей глубине рыхлым, крупнозернистым, легко проницаемым для влаги. Характерная особенность такого снега - однородная температура пласта, близкая к нулю. Если подстилающий грунт водонепроницаем, то даже незначительные жидкие осадки, быстро просочившись вниз, обратят поверх него пленки с очень малым сцеплением, так что лавина может случиться и во время дождя.

Лавины замедленного действия кажутся ничем не связанными с внешней погодной обстановкой и происходят внезапно. Прогноз такого типа лавин особенно сложен и требует знания особенностей физических процессов в толще снежного покрова. Испарение снежных зерен, миграция паров и их кристаллизация в холодных и более плотных слоях происходят особенно быстро. Образуются слои глубинного инея, или глубинной изморози, что легко обнаруживается на стенке шурфа по характерной гроздь е-видной форме слоев кристаллов. В таких слоях под нагрузкой полностью

разрушаются связи между кристаллами, и они превращаются в своеобразные подшипники для лавины.

Главной задачей борьбы с лавинами является исследование динамики образования снежных нагрузок на склоне, динамики течения снежного пласта по наклонной подстилающей поверхности и динамики самой лавины. В настоящее время теория лавин находится в начальной стадии схематизации и упрощений.

Накопление снега на склонах еще слабо изучено, плохо исследована роль метелевого снега. Механически перенести результаты теории метелей в равнинах на горные условия невозможно, так как горные метели существенно отличаются от равнинных. Геофизики А.Г. Гофф и Г.Ф. Оттен в качестве первого приближения предложили принять движение лавины как материальной точки по второму закону Ньютона [2]:

¿¡Г

шл  — = — тд  £¿71 <р — Кд

где V - скорость лавины по направлению склона (м/с), тл - масса лавины (кг); § - ускорение силы тяжести (м/с-); ср - угол наклона по отношению к горизонту; К„ - главный вектор сил сопротивления движению лавины (м/с2).

Простейшая модель движения лавины, предложенная А. Г. Гоффом и Г. Ф. Оттеном, применяется в снеголавинных расчетах до настоящего времени, хотя она далеко не всегда соответствует движению реальных лавин. Так, эта модель вовсе не применима для особого случая сухих лавин - пылевидных - с очень малой массовой концентрацией снега.

Помимо этого, предпринято немало попыток создания гидравлической модели лавин как потока однородной сплошной среды [3]. В начальный момент склон считается покрытым однородным слоем снега, затем начинается смещение лавины сверху в виде большой капли однородной вязкой жидкости, конец которой закреплен на гребне склона. При этом считается, что голова капли растет за счет попутного присоединения порций снега и собственного движения. Такое приближение соответствует реальным условиям. Однако эта модель не применима для инженерных расчетов.

Таким образом, первоочередная задача при освоении лавиноопасных районов - предвидение схода лавин. В работе [4] впервые исследованы условия возникновения лавин. Устойчивость снега на склоне под углом к горизонту ф определялась как для абсолютно жесткого пласта, находящегося под действием сил тяжести трения и сцепления При этом снежный пласт испытывает давления рь р2 от нижележащего и вышележащего снежного покрова.

Пусть высота пласта Нп, его длина /, массовая плотность снега рс, угол внутреннего трения снега 0, структурное сцепление снега С. Разложив

Б на параллельную склону Б' и перпендикулярную составляющие, можно определить величину Нп:

С •СОБв

_

п рс • д • Бт(_<р - в) + Ар

Таким образом, Нп представляет собой критическую, опасную высоту снежного покрова. Конечно, факторы лавинной опасности многочисленны, и величина Н - лишь один из них.

В частном случае, при наличии на склоне сухого слоя снега его поведение можно описать, рассчитав напряжения в однородном откосе от собственной силы тяжести для распорной зернистой среды [5]. Модель блочной среды оказывается удобной для анализа механизма передачи усилий от блока к блоку и позволяет получить величину вертикального напряжения а2 в произвольной точке А(г,х):

г +со

У [ Г ~ и)2

у О г

где у - удельный вес снега; < 0 = — - характеристика распределительной способности зернистой среды; V = - - относительная глубина снежного покрова; = г; - проекция образующей откоса на ось X на глубине .

После интегрирования данного выражения можно вычислить нормальные и тангенциальные напряжения в слоях снега, при превышении которых начинается сход лавин.

Список использованной литературы

1. Отуотер М. Охотники за лавинами: [пер. с англ] / М. Отуотер. - М: Мир, 1972 - 272 с.

2. Гофф А.Г., Оттен Г.Ф. Борьба со снежными обвалами // Снег и снежные обвалы в Хибинах. Л. -М.: Гидрометеоиздат, 1938 - С. 71-98.

3. Григорян С.С. и др. Возникновение оползней, селей и лавин. Инженерная защита территорий / С.С. Григорян. - М.: Наука, 1987.

4. Саатчян Г.Г. Снег и снежные обвалы: труды Тбилисского НИИ сооружений, 1936. - Вып. 27.

5. Добров Э.М. Механика грунтов / Э.М. Добров. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 272 с.