3.6.2.3. Камнепад

В горной местности при землетрясениях, а также при взрывных работах либо при движении тяжело груженых автомашин, сопровождающемся сотрясениями почвы, нередко наблюдается явление, называемое камнепадом, когда сдвигается с места и начинает двигаться с возрастающей скоростью по склону горы масса камней, представляющих большую опасность для человека и транспортных средств на горных дорогах.

Пусть камень весом P=mg находится на склоне горы на высоте H от её подошвы. Угол наклона склона по отношению к горизонту равен .(схема расположения камня на склоне аналогичные схеме рисунок 4).

Возможны случаи скольжения и скатывания камней, а также случай перехода от скольжения к вращательному движению. Для получения представления об особенностях движения ниже рассматривается первые два случая движения, третий – достаточно полно освещен в отчёте [3].

Устойчивость камня может быть оценена по соотношениям (3.17),(3.20),(3.21) при замене, как в случае оценим устойчивость оползня, в соотношении (3.17) величины и в соотношениях (3.20), (3.21) величины на величину S— площадь контакта камня с поверхностью склона.

После потери устойчивости начнётся движение по склону. Рассмотрим случай скольжения камня. Пренебрегая сцеплением (камень сдвинулся с места) составим энергетический баланс движущегося камня

,

(3.29)

где f—коэффициент трения камня о поверхность горного склона.

Из соотношения (3.29) находим скорость движения

(3.30)

Рассмотрим случай качения камня. Уравнение энергетического баланса такого движения имеет вид

,

(3.31)

где J— момент инерции камня относительно его центра вращения,ω – угловая скорость движения камня,V – поступательная скорость движения камня,f— коэффициент трения качения камня по поверхности склона, – путь проходимый камнем по склону.

Если приближенно принять форму камня сферической, значения J, запишутся в виде , , где r радиус камня.

Подставив величины J,ω в соотношение (3.31), получаем

,

(3.32)

Движущиеся с большой скоростью камни могут быть причиной многих бед. Для устранения опасности камнепадов проводится комплекс защитных мероприятий. К числу основных можно отнести следующие мероприятия.

Посадка древесной и кустовой растительности на склонах гор; лесная растительность может предотвратить или остановить движение камне в самом начале, когда их скорость относительно невелика.

Введение специального режима движения транспорта на горных дорогах. Строительство на опасных участках дорог защитных сооружений в виде перекрытых сверху проездов, а также камнеудерживающих стенок и сетей.

Запрещение несанкционированных взрывных работ.

При угрозе камнепада устанавливается запрет на посещение людьми опасного района.

3.6.2.4. Снежные лавины

Лавина – обвал массы снега на горных склонах, пришедшей в интенсивное движение, рис. 5. Снежные лавины представляют серьёзную опасность. В результате их схода гибнут люди, уничтожаются материальные ценности, парализуется работа транспорта, блокируются целые районы.

Рисунок 5–Снежная лавина

Лавины чаще всего наблюдаются на склонах крутизной от 20^º до 50^º при толщине снежного покрова не менее 30…50 см.

Процессы, приводящие к сходу лавин: перегрузка снегом склонов во время метели или недостаточная сила сцепления между новым снегом и подстилающей поверхностью в течение первых двух суток после окончания снегопада:

• возникновение между нижней поверхностью снега и подстилающей поверхностью склона водной смазки во время оттепелей или дождей.

• формирование в нижних слоях снежной массы горизонта разрыхления, состоящего из кристаллов глубинной изморози, не связанных друг с другом; причина рыхления – более высокая температура в нижних слоях, откуда водяной пар мигрирует в верхние (более холодные) слои, что влечёт за собой испарение снега и превращение его в горизонт скольжения[6].

Рисунок 6–Признаки лавинной опасности

Формирование лавин происходит в лавинном очаге, представляющем собой участок склона и его подножия, в пределах которых движется лавина. Различают три зоны лавинного очага: зона зарождения (лавиносбор), зона транзита (лоток), зона остановки (конус выноса). Следует отметить что до 70% всех лавин обусловлены снегопадами. Они сходят во время снегопадов или в течение 1..2 суток после их прекращения. В сейсмоопасных районах лавины могут быть спровоцированы землетрясением.

Для получения представления об устойчивости снежного массива на склоне горы рассмотрим схему рисунок 7

Рисунок 7–Снежная масса на склоне

Используется плоское приближение. Коэффициент устойчивости снежной массы (единичной толщины) может быть представлен в виде

,

(3.33)

где m— масса снежного массива, β – крутизна склона, f – коэффициент трения снега по поверхности склона, с – сцепление, g – ускорение свободного падения(g=9.81 м/с²).

В связи с существенным влиянием погодных условий на устойчивость снежной массы, находящиеся на горном склоне, принимают:

при χ < 1 – возникновение лавины неизбежно;

при 1< χ <4 – возникновение снежной лавины возможно;

при χ > 4 – снежный массив устойчив[6,9].

Остановимся на изменении коэффициента устойчивости при землетрясении. Влияние воздействия землетрясения на устойчивость снежной массы аналогично воздействию сейсмических волн на грунтовый массив, расположенный на горном склоне, рассмотренному в разделе отчёта «Обрушение склонов». Устойчивость снежной массы весом P=mg на горном склоне может быть оценена по соотношениям (3.20) и (3.21) этого раздела. После потери устойчивости снежная масса начнёт двигаться по склону. Основные параметры движения определяются согласно ВСН 02—73 [5].

Для получения экспресс—оценок воспользуемся уравнением энергетического баланса движущейся снежной массы, применительно к схеме рисунок 7 (сцеплением «C» при движении снега пренебрегают).

,

(3.34)

где V—скорость движения лавины.

Из соотношения (3.34) следует

,

(3.35)

Значение коэффициента трения составляет f=0.25…0.6 при плотности снега от 0.1г/см³ до 0.3г/см³ и f=0.55…0.76 для перемещенного метаморфизированного снега.

Снежные лавины имеют большим поражающим действием.

Давление, которое оказывает движущаяся снежная масса на преграду

(3.36)

Динамическое давление , Па на поверхность преграды расположенную перпендикулярно направлению движения лавины, определяют по соотношению

(3.37)

Если преграда расположена под углом α к направлению движения лавины, принимают

(3.38)

Значение коэффициента приведены в таблице 6

Давлением в приближенных расчетах, учитывая сравнительно небольшую плотность снега, обычно пренебрегают. При необходимости получения более строгих оценок можно воспользоваться рекомендациями [3].

Таблица 6

Название тела	Схема расположения	Соотношение сторон	Величина Сx
Куб	a b H	a=b=H	1,05
Квадратная призма	b a	a=b=1/3H	1,3
Прямоугольная призма	H b	b<H≤a b<2H≤2a b<2H=7a	1,2 0,75 0,5
Круглый цилиндр		D=1/3H	0,73
Вертикальная стена	H a	H=0,06a	1,25

При оценке воздействия снежной лавины на здание, сооружение обычно рассматривается давление на лобовой грани. Рассчитанное по формуле (3.36) значение давления сопоставляется с данными таблицы 7.

Таблица 7—Критерии поражения объектов лавиной

Давление P,кПа	Последствия
2	Вылетают стекла и оконные рамы
5	Выламываются двери, валятся изгороди, ломаются ветви деревьев
10—30	Разрушаются деревянные здания, ломаются молодые деревья, опрокидываются автомобили
50	Разрушаются каменные сооружения
100	Разрушаются металлические конструкции
1000	Выпахивается русло

В районах, где возможны снежные лавины, применяется система защитных мероприятий. К их числу следует отнести следующие мероприятия.

Принимаются меры по отклонению движения лавины, не допуская её на защищаемый участок. Наиболее удачными защитными конструкциями являются направляющие стенки, контрфорсы, валы, расположенные непосредственно перед угрожаемым участком.

В угрожаемых местах, зданиях и сооружения должны строиться так, чтобы они могли выдерживать динамическое давление лавины.

Рисунок 8–Примеры защитных сооружений

Вводится специальный режим движения транспорта на горных дорогах, на опасных участках строятся защитные сооружения в виде перекрытых сверху проездов.

При угрозе схода лавин устанавливается запрет на посещение людьми этого района. Ожидаемую лавину целесообразно предупредить (спровоцировать) в определённое время артиллерийским обстрелом. Иногда стабилизируется неустойчивый снежный покров, воздействуя химическими веществами и меняя тем самым свойства снега.