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/м^3;

- 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 и более; приведенный ежегодный объем выносов = 10⁴ ÷ 10⁵ м³;

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 [25; кн.1].

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

V_c =11,4 ∙ , (11.11)

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.11.11.

Таблица 11.11. Воздействие селевых потоков на сооружения

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 =P_c+P_g, (11.12)

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

P_g=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 11.12. Гидростатическое давление селя, 10⁵ Па, различной плотности ρ на глубинах Н, м

Значения динамических давлений в зависимости от плотности, скорости селя и углов встречи с плоской преградой приведены в табл. 11.13; 11.14; 11.15.

Как видно из таблиц, угол α сильно влияет на давления. Так, при скорости селя 5 м/с и плотности 1500 кг/м³ (см табл.11.14) 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 11.13. 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	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 11.14. 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	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 11.15. 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	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(P_ср+P_g), (11.13)

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

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

Таблица 11.16. 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

Таблица 11.17. Коэффициент К_сн снижения эквивалентного давления селезащитными сооружениями

При косом ударе селя о сооружение появляется касательная составляющая от силы трения N_тр, т.е. N_тр= K_T∙P_g, где K_T – коэффициент трения, зависящий от вязкости потока. Он равен K_T=0,1 при вязкости потока μ 2,5…4,0 пуаза; K_T=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 К_сн, значения которого приведены в таблице 11.17.

Таблица 11.18. Суммарное давление (10⁵ Па) селевых потоков, вызывающих различные степени повреждения объектов

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 К_д 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 К_д =1.

В табл.11.18. 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. 11.18. выяснить результат воздействия.

Пример [25;кн∙1]. 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. 11.13) – 1,84 кПа; статическое давление для половинной высоты селя 1,25 м (табл. 11.12) – 14,7 кПа. Суммарное давление (табл.11.16) – 16,6 кПа.

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

Эквивалентное суммарное давление равно

Р_сум = Р_ср+ P_g =15,0+1,838 =16,838 16,8 кПа.

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

Используя таблицу 11.18. – для типа здания 4 возможны слабые повреждения.

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

Дата добавления: 2014-12-29; Просмотров: 1549; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!