Прогнозирование селевых потоков



Селевым потоком (селью) называют горный поток смеси воды с различными включениями. Такими включениями могут быть песок, грязь и др. обломки. Высокая плотность и большие скорости селя обеспечивают ему высокий энергетический потенциал, а, следовательно, большую разрушительную силу для объектов. Источниками водного питания селей являются: дожди и ливни; ледники и сезонный снежный покров (в период таяния); воды горных озер.

Источником твердого питания (включений) могут быть: рыхлообломочный материал осыпей, оползней, обвалов и смывов; древесно-растительный материал и др. виды. В целом сели прогнозируемы.

Диапазоны основных параметров селевых потоков:

- плотность (1,2 – 1,9)∙103 кг/м3;

- вязкость 4-20 пуаз;

- скорость движения 2,5 – 7,5 м/с для уклонов 10 - 27  (14 – 16 м/с – максимально возможная);

- предельная крутизна прекращения движения 2 - 5 ;

- высота: до 10 м – катастрофического; 3-5 м – мощного; 2,5 м – среднего; 1,5 м – маломощного;

- ширина потока на транзитных участках 5-70 м;

- расход 30 800 м3/с (до 2000 м3/с максимальный);

- продолжительность 0,5-3 часа;

- повторяемость 15 20 лет (1 3 случая за 100 лет);

- размер включений 3-4 м, а масса включений 200-300 т.

Все селеопасные бассейны по приведенной селеактивности делятся на категории:

I – исключительно селеактивный – суммарный объем выносов с одного бассейна за 100 лет ∑W100 = (106÷107) м3 , = 104 ÷ 105 м3 и более; приведенный ежегодный объем выносов

II – весьма селеопасный ∑100= 105…106 м3,  = 103 ÷ 104 м3;

III – среднеселеопасный ∑100= 104…105 м3, = 102 ÷ 103 м3;

IV – слабоселеопасный ∑100= 103…104 м3, = 10 ÷ 102 м3.

Категория селеопасности определяет тип селевых потоков, прохождение которых наиболее характерно для данного района.

Селевые потоки различаются: по мощности – маломощный , среднемощный, мощный, катастрофический; по характеру включений –водно-каменный, водно-песчанный, грязевой, грязекаменный, водно-снежно-каменный.

Расчеты расходов селевых потоков Q, м3/с и их объемов выноса (W, м3) довольно сложны. Они в основном зависят от типов потоков и конкретных условий для данного района. Их расчет приводится в пособии [3; кн.1].

Скорость движения Vc, м/с, селевого потока можно рассчитать по зависимости

                                      Vc =11,4  ∙  ,                         (2.11)

где ν0 – относительная гидравлическая крупность вовлекаемых в поток каменных материалов (ν0 0,7-1,0);

h – средняя глубина потока, м (ее принимают 1,0-1,5 м – для маломощного потока; 2,0-3,0 – для средней мощности; 3,0-5,0 – для мощного потока);

α – средний угол наклона селевого русла, град.

Укрупненные показатели воздействия селевых потоков различного типа на сооружения в зависимости от суммарного объема селевого выноса приведены в табл.2.9.

Таблица 2.9. Воздействие селевых потоков на сооружения

Тип селевого потока Суммарный объем селевого выноса, м3 Характеристика воздействия
Маломощный До 104 Небольшие размывы, частичные забивки отверстий водопропускных сооружений.
Среднемощный 2∙104…105 Сильные размывы, полная забивка отверстий, повреждение и снос бесфундаментных строений
Мощный 105…9∙105 Большая разрушительная сила, снос мостовых ферм, разрушение опор мостов, каменных строений, дорог.
Катастрофический более 106 Разрушение целых строений, участков дорог вместе с полотном и сооружениями, погребение сооружений под наносами.

 

Воздействие селевого потока на конкретные объекты (здания, сооружения) принято оценивать величиной эквивалентного давления на стены объекта, которое принимается за основной критерий оценки. Суммарное давление Р будет определяться гидростатическим давлением, скоростным напором потока и геометрией объекта. Начальным импульсом соударения фронта селя с объектом обычно пренебрегают. Тогда (при условии, что плоскость объекта перпендикулярна направлению движения потока)

 

                                                 P =Pc+Pg ,                                      (2.12)

 

где Pc=ρgh – статическое давление на глубине h метров. Здесь: ρ – плотность, кг/м3; g – ускорение свободного падения,9,8 м/с2;

Pg=0,5Сρv2 – давление скоростного напора (динамическое давление) селя. Здесь: С – коэффициент взаимодействия потока с преградой (С=1 при случаях действия потока по нормали к стене и С=sin2α – при действии его под углом α, град).

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

 

Таблица 2.10. Гидростатическое давление селя, 105 Па, различной плотности ρ на глубинах Н, м

ρ, кг/м3 0,5 1,0 1,5 2,5 4,0 10,0
1200 1500 2000 0,0589 0,0736 0,0981 0,118 0,147 0,196 0,177 0,221 0,294 0,294 0,368 0,490 0,471 0,598 0,785 1,180 1,470 1,962

 

Значения динамических давлений в зависимости от плотности, скорости селя и углов встречи с плоской преградой приведены в табл. 2.11; 2.12; 2.13.

Как видно из таблиц, угол α сильно влияет на давления. Так, при скорости селя 5 м/с и плотности 1500 кг/м3 (см табл.2.12) при α =90,45 и 30  динамические давления составляют соответственно 0,0187; 0,00938 и 0,00469 МПа (или 18,7; 9,3; 4,69 кПа). Т.о. при 45  давление упало вдвое, а при 30  - более чем в четыре раза.

Для суммарных давлений влияние угла встречи значительно меньше, т.к. для глубин более одного метра вклад статических давлений может быть более динамических составляющих.

 

Таблица 2.11. Гидростатическое давление, 105 Па, селя плотностью ρ=1200 кг/м3  на плоскую преграду в зависимости от скорости движения V при углах встречи

V, м/с 30 45 60 90
1,5 2,5 3,5 5,0 6,5 7,5 9,0 10 15 0,00338 0,00938 0,0184 0,0375 0,0634 0,0844 0,122 0,150 0,338 0,00675 0,0188 0,0368 0,075 0,127 0,169 0,243 0,300 0,675 0,0101 0,0281 0,0551 0,112 0,190 0,253 0,364 0,450 1,010 0.0135 0,0375 0,0735 0,150 0,253 0,337 0,486 0,600 1,350

 

Таблица 2.12. Динамическое давление, 105 Па, селя плотностью ρ=1500 кг/м3 на плоскую преграду в зависимости от скорости движения V при углах встречи

V, м/с 30 45 60 90
1,5 2,5 3,5 5,0 6,5 7,5 9,0 10 15 0,00422 0,0117 0.0230 0,0469 0,0792 0,105 0,152 0,188 0,422 0,00843 0,0234 0,0459 0,0938 0,158 0,211 0.304 0,375 0,844 0,0127 0,0351 0,0689 0,141 0,238 0,316 0,456 0,562 1,265 0.0169 0,0469 0,0919 0,187 0,317 0,422 0,607 0,750 1,687

 

Таблица 2.13. Динамическое давление, 105 Па, селя плотностью ρ=2000 кг/м3 на плоскую преграду в зависимости от скорости движения V при углах встречи

V, м/с 30 45 60 90
1,5 2,5 3,5 5,0 6,5 7,5 9,0 10 15 0,00563 0,0156 0,0306 0,0625 0,106 0,141 0,203 0,250 0,563 0,0113 0,0313 0,0612 0,125 0,211 0,281 0,405 0,500 1,13 0,0169 0,0469 0,0918 0,187 0,317 0,422 0,607 0,750 1,69 0,0225 0,0625 0,122 0.250 0,422 0,562 0,810 1,000 2,25

 

Суммарная смещающая сила N, действующая на объект будет определяться как

                                               N= F(Pср+Pg),                                   (2.13)

 

где Pср= 0,5ρgh- среднее статическое давление, оказываемое на объект на половинной глубине;

F – площадь проекции обтекаемой части объекта на плоскость, перпендикулярную направлению движения селя.

Таблица 2.14. Суммарное давление, 105 Па, селя (ρ=1200 кг/м3) на плоскую преграду под углом 30  при различных скоростях V , м/с и глубинах Н, м, коэффициент взаимодействия С=0,25

V, м/с 0,5 1,0 1,5 2,5 4,0 10,0
1,5 2,5 3,5 5,0 6,5 7,5 9,0 10,0 12,5 15,0 0,033 0,039 0,048 0,067 0,093 0,114 0,151 0,170 0,264 0,367 0,062 0,068 0,077 0,096 0,122 0,143 0,180 0,209 0,293 0,396 0,092 0,098 0,107 0,126 0,152 0,173 0,210 0,238 0,323 0,426 0,151 0,157 0,166 0,185 0,211 0,232 0,269 0,297 0,382 0,485 0,239 0,245 0,254 0,273 0,299 0,320 0,357 0,385 0,470 0,573 0,529 0,598 0,607 0,626 0,652 0,673 0,710 0,739 0,823 0,926

 

Таблица 2.15. Коэффициент Ксн снижения эквивалентного давления селезащитными сооружениями

 Селезащитное сооружения Ксн
Запруды глухие из железобетона                   три дамбы                                                                        две дамбы                                                                                         одна дамба                                                                               0,25 0,35 0,40
Запруды глухие из камня                              три дамбы две дамбы одна дамба 0,30 0,40 0,45
Запруды решетчатые металлические           три стенки                                                                          две стенки                                                                       одна стенка                                                          0,35 0,40 0,50
Селезадерживающая плотина Селеотводящие сооружения Селеспуски, селепроводящие сооружения 0,1 0,05 0
Селенаправляющие (для защиты       железобетонные объектов вдоль русел)                                    каменные                                                                      из бревен 0,15 0,25 0,35
Тормозящие надолбы                                 четыре ряда                                                                  три ряда                                                           два ряда 0,60 0,65 0,70
Каменные холмы                                                   два ряда                                                                     один ряд 0,70 0,85
Грунтовые холмы                                             два ряда                                                                            один ряд 0,80 0,90
Простейшие сооружения (в балках)             валы-канавы                                                          террасы 0,80 0,70

При косом ударе селя о сооружение появляется касательная составляющая от силы трения Nтр, т.е. Nтр= KT∙Pg, где KT – коэффициент трения, зависящий от вязкости потока. Он равен KT=0,1 при вязкости потока μ 2,5…4,0 пуаза; KT=0,3 – при μ 20 пуаз. Ясно, что наиболее опасным (расчетным) является случай, когда действие селя происходит по нормали к плоскости объекта.

Расчетами по приведенной методике следует пользоваться при оценке ущерба от действия селя на конкретные объекты. При этом для учета снижения расчетных давлений за счет противоселевых сооружений следует применять коэффициент Ксн, значения которого приведены в таблице 2.15.

 

Таблица 2.16. Суммарное давление (105 Па) селевых потоков, вызывающих различные степени повреждения объектов

Тип объекта Разрушение Сильное повреждение Среднее повреждение Слабое повреждение
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 0.90…1,50 0,75…1,05 0,60…1,90 0,68..0,98 0,53…0,68 1.5…1,6 0,75…0,90 0,30…0,45 0.90…1,20 4,5…5,0 0,60…0,68 1.5…1,6 3,00…3,2 0.90…0.98 2,5…2.6 1,05…1,13 30…34 15…18 30…33 0,75…0,90 23…25 1,8…1,9 1,5…1,7 1,6…1,8 3,8…4,5 2,5…3,0 15…20 150 0,75…0,90 0,45…0,75 0,45…0,60 0,53…0,68 0,38…0,53 1,2…1.5 0,60…0,75 0,18…0,30 0,60…0,90 3,0…4,5 0,45…0,60 1,2…1,5 1,5…3,0 0,60…0,90 1,5…2,5 0,75…1,05 23…30 9…15 15…30 0,60...0,75 15…23 1,05…1,80 0,9…1,5 1,0…1,6 3,0…3,8 1,6…2,5 12…15 75…140 0,75…0,81 0,30…0,45 0.30…0,45 0,30…0,53 0,23…0,38 0,53…1,20 0,45…0,60 0,12…0,18 0,30…0,60 1,5…3,0 0,30…0,45 0,75…1,20 1,05…1,50 0,30…0,60 0,90…1,5 0,45…0,75 15…23 5,5…9,0 9…15 0,50…0,60 6…15 0,75…1,05 0,6…0,9 0,65…1,0 2,3…3,0 0,9…1,6 10…12 30…75 0,45…0,81 0,15…0,30 0,15…0,30 0,20…0,30 0,15…0,23 0,30…0,53 0,30…0,45 0,09…0,12 0,15…0,30 0,75…1,50 0,23…0,30 0,45…0,75 0,60…1,05 0,15…0,30 0,60…0,90 0,38…0,45 9…15 3,0…5,5 3…9 0,3…0,50 2,5…6 0,45…0,75 0,3…0,6 0,40…0,65 1.5…2,3 0,6…0,9 3…10 15…30

 

Заметим, что устойчивость зданий и сооружений под действием селевого потока при давлениях, рассчитанных указанным способом, более высокая, чем, например, при воздействии таких же давлений от снежных лавин или воздушных ударных волн. Это объясняется тем, что эквивалентные давления от последних факторов определяются с учетом коэффициента динамичности Кд 1, т.к. скорости движения снежных лавин и ударных волн при взрывах намного превышают скорости селя, а отсюда реализуется фаза дифракционного обтекания объектов, которая вызывает известный динамический эффект.

Воздействие селя на объекты носит чисто квазистатический характер. Приведенная модель расчета применима только для таких процессов. Формально можно считать, что коэффициент динамичности селя Кд =1.

В табл.2.16. указаны возможные результаты воздействия селевых потоков, приведенные к суммарным давлениям селя на конкретные типы зданий и сооружений.

Типы объектов и их номера представлены в прил.2

Методика определения ущерба от действия селя на конкретный объект состоит в определении эквивалентного давления селя по его исходным параметрам и с помощью табл 2.16. выяснить результат воздействия.

 

Пример [3; кн1]. Определить результат воздействия селевого потока на одноэтажное здание бескаркасной конструкции, ориентированное под углом α=30  к возможному направлению движения селя. Параметры селя: возможная скорость продвижения 3…4 м/с; толщина потока 2…3 м при средней плотности ρ =1200 кг/м3.

Решение. Используя данные таблиц: динамическое давление для скорости потока 3,5 м (табл. 2.11) – 1,84 кПа; статическое давление для половинной высоты селя 1,25 м (табл. 2.10) – 14,7 кПа. Суммарное давление (табл.2.14) – 16,6 кПа.

Расчет: статическое давление на половинной глубине Рср = 0,5ρgh =0,5∙1200∙10∙2,5 =15000 Па = 15,0 кПа; динамическое давление Pg = 0,5Cρv2 =0,5∙sin2ρv2 =0,5∙0,25∙1200∙3,52 =1837,5 1838 Па 1,838 кПа.

Эквивалентное суммарное давление равно

Рсум = Рср+ Pg =15,0+1,838 =16,838 16,8 кПа.

Если принять q=9,81, то Рср=14,715 кПа и Рсум =16,553 16,6 кПа.

Используя таблицу 2.16. – для типа здания 4 возможны слабые повреждения.

Вывод: при данных параметрах селевого потока здание получит слабые повреждения.

 


Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 343; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!