CC BY
90УДК 551.4.042
ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ EVALUATION OF DEBRIS
ХАРАКТЕРИСТИК СЕЛЕВОГО ПОТОКА FLOW DYNAMIC
ПО ВИДЕОМАТЕРИАЛАМ CHARACTERISTICS BY
VIDEO MATERIALS
Д.П. Соколова1, В.А. Куровская 2, А.А. Осташов1, Dariia P. Sokolova1,
Н.А. Казаков3'4 Viktoriia A. Kurovskaia2,
Andrey A. Ostashov1, Nikolay A. Kazakov3,4
1ООО «Джи Динамика», г. Санкт-Петербург, Рос- 1G-Dynamic Ltd, Saint-Petersburg,
сия, 2Московский государственный университет Russia, 2Lomonosov Moscow State
им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия, 3Специаль- University, Moscow, Russia, 3Special
ное конструкторское бюро средств автоматиза- Research Bureau for Automation of
ции морских исследований ДВО РАН, г. Южно-Са- Marine Researches of the FEB RAS,
халинск, Россия; 4Научно-исследовательский центр Yuzhno-Sakhalinsk, Russia, 4Research
"Геодинамика", г. Южно-Сахалинск, Россия Center for the Study of Geodynamic
dariia.sokolova@yandex.ru Processes "Geodynamics",
Аннотация. Для проектирования сооружений про- Yuzhno-Sakhalinsk, Russia
тивоселевой защиты необходимо знать значения та- dariia.sokol°va@yandex.m
ких характеристик селя, как скорость потока и дав- Abstract. For mud dams construction
ление селевой массы на преграду. Определение этих it is necessary to clarify characteristics
характеристик часто вызывает трудности из-за того, of debris flow such as flow velocity
что сель - достаточно редкое событие и постоянные and pressure on the barrier. Determin-
наблюдения за ними ведутся на селестоковых стан- ing these characteristics often causes
циях, которых во всем мире немного. В настоящее difficulties due to the fact that debris
время в интернете появилось большое количество flow is rather rare event and constant
видеосъемок, на которых запечатлен сход селевого monitoring of them is carried out at
потока. Такой материал можно использовать для по- mud flow observation station stations,
лучения не только качественных, но и количествен- which are few worldwide. Currently
ных характеристик селевого потока. В тех случаях, large number of videos have appeared
когда имеется возможность определить на видео on the Internet that captures debris
Соколова Д.П., Куровская В.А., Осташов А.А., Казаков Н.А. Оценка динамических характеристик селевого потока по видеоматериалам // Гидросфера. Опасные процессы и явления. 2019. Т. 1. Вып. 1. С. 31-51, DOI: 10.34753/HS.2019.1.1.003 31
масштаб и конкретное место схода селя, определение его скорости и других характеристик составляет выполнимую задачу. В статье представлена попытка количественной оценки скорости селевого потока по материалам видеосъемки с последующим сравнением полученных результатов со значениями, рассчитанными по различным методикам. В качестве объекта нашего исследования был выбран селевой поток, сошедший в Австрии, г. Фирген 4 августа 2012 года. Съемка производилась с нескольких ракурсов, что позволило выбрать участок канала, на котором оказалось возможным произвести измерение скорости движения серии селевых волн. Расчет скорости селевого потока и давления на препятствие производился по методикам разных исследователей. Измеренные на видеоролике скорости селевых волн на разных участках составили: минимальная -7,4 м/с, максимальная - 10 м/с. Различия между рассчитанными по разным методикам и измеренными по видео значениями составляют от 0,1 м/с до 4,8 м/с. Кроме этого, были проведены расчеты расхода селевого потока и плотности селевой массы. Нами использовалась модель транспортно-сдвигового селевого процесса, разработанная Ю.Б. Виноградовым. При сравнении полученных значений с результатами австрийских коллег было выявлено, что значения характеристик похожи, но разброс значений по данной модели меньше.
Ключевые слова: селевой поток; скорость селевого потока; видеосъемка селевого потока; давление селя; селевая волна; селевой расход.
flow descent. This material can be used to obtain not only qualitative, but also quantitative characteristics of the debris flow. In cases, when it is possible to determine the scale and specific location of debris flow on a video, measuring its velocity and other characteristics is a workable task. This research present an attempt to quantify the debris flow velocity based on the video materials with the subsequent comparison of the results obtained using various methods. The object of our study was the debris flow that came down in Austria, in Firgen on August 4, 2012. The survey was carried out from several angles, which made it possible to select a section of the channel to measure the velocity of debris flow wave train. Calculation of flow velocity and pressure on the barrier was conducted by several methods developed by various researchers. Debris flow velocities measured on the video are minimum -7,4 m/s, maximum - 10 m/s. Differences between calculated by various methods and measured on the video values range from 0,1 m/s to 4,8 m/s. Keywords: debris-flow; velocity of debris-flow; video material of debris-flow; pressure of debris-flow; debris-flow wave; debris-flow discharge.
Sokolova D.P., Kurovskaia V.A., Ostashov A.A., Kazakov N.A. Evaluation of debris flow dynamic characteristics by video materials. Hydrosphere. Hazard processes and phenomena, 2019, vol. 1, iss. 1, pp. 31-51 (in 32 Russian; abstract in English) DOI: 10.34753/HS.2019.1.1.003
Введение
Один из важнейших вопросов, возникающих при изучении и моделировании селевых процессов (как при научных исследованиях, так и при проектно-изыскательских работах) -это вопрос о скорости движения селевого потока.
Данных прямых измерений скоростей селевого потока, полученных непосредственно во время его движения [Vinogradova, Vinogradov, 2017], недостаточно. Прямое измерение характеристик потока связано со многими трудностями, главная из которых заключается в том, что специалисты-селевики не часто могут вживую наблюдать данное явление.
Значения скорости селевого потока, рассчитанные по результатам полевых исследований, проведённых сразу же после схода, не позволяют получить достоверные результаты, поскольку расчётные методики базируются в большинстве своем на математических моделях, изобилующих эмпирическими коэффициентами.
Решение этой проблемы возможно лишь при использовании большого объёма натурных наблюдений за селевыми потоками, и измерении их скорости во время движения.
Постановка проблемы
Получение натурных количественных данных о каждом селевом событии является важной и сложной задачей селеведения. сель - достаточно редкое событие, и определить его динамические характеристики зачастую удается только по косвенным признакам.
Однако в последнее время в интернете появилось большое количество видеосъемок, на которых запечатлен сход селевых потоков. Такой материал можно использовать для получения качественных и количественных характеристик селевого потока: таких, как структурно-реологический тип, характер движения селевого потока, форма селевых волн и скорость селя на разных участках селевого русла.
Если в кадре есть объекты, которые можно использовать в качестве привязки масштаба снимка, мы можем оценивать некоторые количественные характеристики селя, а именно скорость потока, а при возможности определения площади поперечного сечения русла - расход селя.
Целью нашего исследования является попытка измерения скорости селевого потока по материалам видеосъемки и сопоставление полученных результатов с расчетными значениями по различным методикам.
Объект исследования
Географические, геологические и гидрологические условия Восточных Альп определяют возможность образования и высокую повторямость селевых потоков больших объёмов.
Суточные максимумы осадков могут достигать 200-250 мм [Aulitzky Н., 1989].
Количество рыхлообломочного материала в конусе выноса в результате схода катастрофических селей достигает от сотен тысяч до миллиона м3 [Aulitzky, 1989]. Следует упомянуть, что поскольку заселённость Альп человеком очень велика, катастрофические сели сразу попадают в разряд национальных бедствий [Виноградов,1980]. Первое упоминание о селевом потоке в Австрии относится к 600 году, когда сель сошел из ущелья Ланбах в долину Инна у селения Швац [Виноградов,1980].
4 августа 2012 г. по ручью Фиршницбах сошел грязекаменный сель. В результате пострадал населенный пункт Фирген, были повреждены объекты инфраструктуры и жилые постройки. Сель был заснят на видеокамеры с нескольких ракурсов местными жителями, что позволило нам определить некоторые качественные и количественные характеристики селя.
Ручей Фиршницбах (рисунок 1) является левобережным притоком реки Изель в муниципалитете Фирген. Площадь водосбора составляет 4,1 км2, длина ручья Фиршницбах равняется 5,5 км, перепад высот от истока до устья 1955 м. Самая высокая точка водосбора -г. Миттерегшпитце с 3044 м над уровнем моря, устье р. Изель расположено на высоте 1089 м над уровнем моря [Hubl, 2012].
Водосбор бассейна располагается на территории Пеннинских Альп. Особое внимание следует уделить наличию филлитовых сланцев, которые обладают высоким содержанием глинистых частиц, способных связывать воду в грунтах (по нашему мнению, обязательное условие, необходимое для формирования связных селей), а также наличием рыхлообломочного моренного и осыпного материала в верхней части водосбора, который образует потенциальный селевой массив. Коренные породы представлены известково-слюдяными сланцами, метабазитами и ультраосновными породами [Vinogradova, Vinogradov, 2017], которые насыщают сель крупнообломочным материалом.
Около четверти водосборной площади занято хвойным лесом, 27% площади -луговые пастбищные угодья и альпийские луга, 38% - незадернованные рыхлообломочные отложения. Остальные 10% подвержены застройке [Hubl, 2012].
rH^POCOEPA. OnACHBIE nponpccti H £B.nEHH£ ToM 1, Bun.1 2019
Figure 1. The scheme of basin Firschnitzbach river
3000 2800 2600 2400 2200
ra
5 2000 1800 1600 1400 1200 1000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
Расстояние, м
Рисунок 2. Продольный профиль ручья Фиршницбах Figure 2. The longitudinal profile of the Firschnitzbach stream
В водосборе ручья Фиршницбах имеется ряд противоселевых сооружений (рисунок 2). Селеудерживающая дамба располагается в 1830 м от устья и запроектирована под задержание 25000 м3 селевого материала. Ниже плотины расположен селепропускной канал, рассчитанный на пропуск селевого потока расходом 60 м3/с [Hubl, 2012].
Грязекаменный сель, сошедший 04.08.2012 г.
Прохождению селевого потока предшествовал сильный ливень интенсивностью 2 мм/мин. Продолжительность первого ливня - 30 минут. 4 августа 2012 г. через 15 минут после начала дождя, в 15:25 по местному времени, жители Фиргена наблюдали первую волну селевого потока. Всего за 40 минут было зарегистрировано 12 селевых волн. На момент образования первой селевой волны выпало около 30 мм осадков.
На втором этапе прохождения селевого потока в течение 50 минут возникло 27 селевых волн. На этом этапе сель также стал следствием выпадения ливня такой же интенсивности длительностью 45 минут. К моменту начала второго этапа прохождения селя, ёмкость перед селезадерживающей дамбой была переполнена, и поток шел через гребень
плотины. В общей сложности за период прохождения двух серий волн и др. было вынесено 70000 м3 материала [ШЫ, 2012].
Динамические характеристики данного селевого потока оказались выше проектных значений селезащитных сооружений Фиргена. Ёмкость перед селезадерживающей плотиной уже после первой серии волн заполнилась селевыми отложениями. Селепропускной канал оказался не способен пропустить максимальные расходы селевого потока, поэтому селевая масса выходила из берегов канала и разливалась по тротуарам.
Материалы и методы
Видеоматериал о прохождении данного селевого потока был предоставлен Йозефом Фибигером (консультант по вопросам борьбы с эрозией, селевыми потоками, лавинами и лесного хозяйства; исследовательская группа МСНИЛО 8.03 стихийные бедствия, Зальцбург, Австрия) на 4-ой международной конференции «Селевые потоки: катастрофы, риск, прогноз, защита» (Иркутск - Аршан, 6-10 сентября 2016 г).
Съемка проводилась с разных точек города, где селевой поток двигался по бетонированному ступенчатому селепропускному каналу (рисунок 2).
Нами были выбраны кадры из видео, на которых представлялось возможным определить место на спутниковом снимке, где прошел селевой поток.
При определении скорости селевого потока с помощью материалов видеосъемки необходимо знать расстояние, которое он пройдет, и продолжительность его движения.
Сначала производилась привязка селепропускного канала города Фирген в программном пакете ArcGIS. Привязка осуществлялась по контрольным точкам канала на спутниковом снимке (мост, парковка, ступень на повороте) (рисунок 3).
Нами были выбраны три участка, на которых на видео отчетливо видно движение фронта селевой волны.
Первый участок, на котором было зафиксировано максимальное число волн: от парковки (2) до моста (3). Второй участок начинается от ступени на повороте канала (1) до моста (3). Третий участок: от поворота (1) до парковки (2) (рисунок 3).
Глубина потока определялась с помощью привязки масштаба снимка по объектам с известными параметрами. Например, использовались такие объекты как человек, машина и другие. В программе ArcGIS были выполнены необходимые измерения длины и ширины канала для дальнейших расчетов (таблица 1).
Рисунок 3. Схема участков прохождения селевого потока: 1 - ступень на повороте,
2 - ступень напротив парковки, 3 - мост. Figure 3. The scheme of sections of the passage of the debrisflow: 1 - step on the turn, 2 - step in front of the parking, 3 - bridge.
Таблица 1. Основные параметры канала Table 1. The main parameters of the channel
Участок Ширина канала, м Глубина канала, м Длина ступени, м Уклон, град. Количество волн
N п/п Адрес, м от устья р. Фиршницбах
1 920-850 5,8 3,0 14,3 10,6 10
2 985-850 5,8 3,0 14,3 10,2 3
3 985-920 5,8 3,0 14,3 9,8 3
Определение скорости осуществлялось следующим способом.
В программном пакете Shortcut фиксировалось время прохождения фронта селевой волны на контрольных точках, которым соответствовали ступени в канале. Скорость рассчитывалась как расстояние, деленное на время.
Скорость селевого потока, прошедшего через г. Фирген, была рассчитана нами по различным методикам.
Для расчета использовались формулы И.И. Херхеулидзе, В.В. Голубцова, М.Ф. Срибного, Кханна, Академии ГПС МЧС России.
ГИДРОСФЕРА. ОПАСНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ Т0М 1, ВыИ.1
2019
«Руководство селестоковым станциям и гидрографическим партиям»1 рекомендует использовать для расчета скоростей селевого потока следующие формулы:
рс = 4,83 Л^та)0'25, (1)
где И - средняя глубина потока, м;
а - средний угол наклона селевого русла на участке.
Формула (1) предложена И.И. Херхеулидзе.
Для расчетов скорости селя, также используется формула М.Ф. Срибного [Срибный,
1960]:
6,5К2/З/1/4
^с = , (2)
Ут-Ус
где R - гидравлический радиус потока в метрах, I - уклон русла, ут - плотность наносов, т/м3 ус - средняя плотность селевой массы, т/м3.
Так же для определения скорости селевого потока используют формулу Кханна [Голубцов, 1969]:
vc = 8,05Л°р58/0,30, (3)
где hep - средняя глубина потока, м;
i - продольный уклон русла на участке.
По «Учебно-методическому пособию», выпущенному Академией ГПС МЧС России2, скорость селевого потока можно определить по формуле:
= 11,4hc0p5 (Usinaty, (4)
Vr
1 РД 52.30.238-90. Руководство селестоковым станциям и гидрографическим партиям, 1990. Вып. 1. Организация и проведение работ по изучению селей. Гидрометеоиздат, Москва.
2 Крюков Е. В., Бутенко В. М. 2013. Опасные природные процессы: учеб.-метод. Пособие. М.: Академия ГПС
МЧС России
где и - относительная гидравлическая крупность вовлекаемых в поток каменных материалов (для оперативных расчетов принимается равным 0,7...1,0 м/с); в наших расчётах принято значение 1,0 м/с.
Так же, Голубцов В.В. [Голубцов, 1969] предложил формулы для расчета скорости грязевых и грязекаменных потоков:
V,
с = 3,15Ь°4Ч0'17, (5)
Кроме определения скорости движения селевого потока нами был произведен расчет давления селя на препятствие по известным формулам, в которые в основном входит скорость селя и плотность селевой массы. Для расчета селевого давления были взяты следующие формулы:
Формула для расчета давления селевого потока, предложенная ГрузНИИГиМ:
Р = (6)
а
где К = 4,5,
g - ускорение свободного падения, м/с2,
ус - плотность селевой массы, кг/м3 [Молжигитов, 2016].
Формула, предложенная Б.Н. Ржевским и Н.Ф. Нечаевым [Молжигитов, 2016]:
Р = 2,15(усРс)1,33, (7)
Й. Холцинерем и Г. Хиублем предложены формулы расчета на основе комбинированной модели гидростатического и гидродинамического воздействия [Молжигитов, 2016]:
Р = 5ус(Рс)0:8(дК)0'6, (8)
где И - глубина потока, м.
По волновой модели гидравлического удара была предложена А.Л. Гонором и Е.Г. Пик-Пичаком следующая формула расчета:
Р = аусРсС, (9)
где с - скорость звука в среде, м/с,
а - процентное содержание воздуха в водонасыщенном грунте, меняется в пределах 0-0,04 [Гонор, Пик-Пичак, 1983].
Формула, предложенная И.И. Херхеулидзе [Молжигитов, 2016]:
Р = 3,5(1,35(^^^)(кс1'5)0-45 (10)
Результаты и обсуждение
Кроме высокой насыщенности рыхлообломочным материалом, селевой поток характеризуется волновым движением [Казаков, 2001].
Механизм образования волн еще полностью не изучен, но в качестве одной из причин некоторые авторы выделяют различие в скоростях перемещения обломков разной крупности. однако на имеющихся кадрах селевого потока наблюдаются волны, насыщенные, как глыбово-валунным материалом, так и глинистыми частицами. Также в качестве источника образования селевых волн представлялось обрушение порций грунта в селевой поток.
однако волны образуются в течение всего времени прохождения потока, как это можно наблюдать на видео, а их динамические характеристики и частота не соответствуют волнам, образующимся при обрушении грунта. Селевая волна отличается асимметрией, крутой передний фронт создает «голову селя»3. По имеющимся видеоматериалам определить высоту «головы селя» не представлялось возможным.
Согласно В.Ф. Перову3 интервал между волнами может составлять от нескольких минут до десятков секунд, увеличиваясь в конечной стадии, что и было зарегистрировано на видео. Несмотря на то, что видеоматериалы являются скомпонованными из частичных наблюдений, по нескольким волнам с непрерывной съемкой минимальный временной интервал составлял 13 секунд в начале прохождения селевого потока, ближе к концу он увеличился до 22 секунд.
В данном исследовании были получены значения скоростей движения фронта селевого потока по видеосъемке, анализировалась форма волны, а также характер движения (таблица 2).
3 Перов В.Ф. Селевые явления. Терминологический словарь. М.: изд. МГУ. 1996. С. 45
Таблица 2. Результаты
Table 2. Results
Участок № селевой волны Глубина потока, м Время прохождения, с Скорость, м/с Расход, м3/с Примечание
N п/п Адрес, м от устья р. Фиршницбах
1 920-850 м 1 2,7 8,4 8,1 125 наблюдается перелив через борта канала
2 2,7 9,5 7,2 111 в начале - квазиустановившееся течение, далее появляется ступенчатый характер
3 3,4 6,8 10,0 196 скорость фронта волны выше основного тела; перелив через борта канала
4 2,5 8,4 8,1 116 скорость фронта волны выше основного тела; проявляется ступенчатый характер
5 2,9 7,7 8,8 147 скорость фронта волны выше основного тела, наблюдается растекание материала вдоль русла
6 3,0 7,3 9,3 160 скорость фронта волны выше основного тела, возможно появление пылевого облака, происходит выход селевого потока за пределы канала
7 3,2 7,0 9,8 180 скорость фронта волны выше основного тела, растекание материала через борта, наблюдается захлестывание волны на мост
8 3,4 7,1 9,6 188 на начальный стадии наблюдается как единое тело, отмечается ступенчатый характер, часть
-Р-
Участок № селевой волны Глубина потока, м Время прохождения, с Скорость, м/с Расход, м3/с Примечание
N п/п Адрес, м от устья р. Фиршницбах
материала откладывается на мосту
9 2,5 8,0 8,5 122 квазиустановившееся течение, канал занесен селевыми отложениями, наблюдается растекание материала за бортами канала
10 2,0 9,2 7,4 85 форма волы - китгтс, канал занесен селевыми отложениями
2 985-850 м 4 2,5 16,5 7,9 114 скорость фронта волны выше основного тела, проявляется ступенчатый профиль
5 2,9 15,5 8,4 141 скорость фронта волны выше основного тела, наблюдается растекание материала вдоль русла
7 3,2 12,2 9,5 174 скорость фронта волны выше основного тела, растекание материала через борта канала, наблюдается захлестывание волны на мост
3 985-920 м 4 2,5 8,1 7,7 111 скорость фронта волны выше основного тела, проявляется ступенчатый профиль
5 2,9 7,8 8,0 134 скорость фронта волны выше основного тела, наблюдается растекание материала вдоль русла
7 3,2 6,8 9,2 169 скорость фронта волны выше основного тела, растекание материала через борта канала, наблюдается захлестывание волны на мост
К ^
О
о
е
Щ
>
о
м
о £
о о
Сг4
нн
к
ж
н
о
Я
Е =
о
ЧС
Как известно, скорость максимума волны намного превышает значения для подошвы, где наблюдается стационарный расход, что и было зафиксировано на данном видеоматериале. Также зачастую во время прохождения селевого потока по бетонированным ступеням происходило разрушение фронта волны с последующем растеканием материала за борта канала. Кроме того, несколько раз наблюдалось захлестывание гребня волны на мост и соответственно отложение материала.
В связи с тем, что у нас отсутствуют видеоматериалы или же наблюдения за движением селевого потока на пологом бетонированном канале, однозначно утверждать о наборе энергии на ступенях, а также расплескивании материала вследствие конструкции канала не представляется возможным. Однако можно предположить, что бетонированный канал был изначально сконструирован для небольших селевых потоков, тогда данная форма сооружения увеличивала бы коэффициент шероховатости, что в свою очередь уменьшало скорость волны. Но характеристики исследуемого потока оказались выше ожидаемых, что привело к наложению волн и росту скорости 6 из 10 селевых волн. Таким образом, при определенных условиях ступени способны оказывать противоположный от задуманного эффект. Также стоит отметить, что высота заплесков на домах, непосредственно прилегающих к выбранному участку в канале, доходила до 7 метров.
Скорости движения фронта селевых волн менялись от 7,4 м/с до 10 м/с на протяжении видеосъемки. Исходя из полученных результатов, видно, что чем больше глубина потока, тем выше скорость движения. Например, волна №3, глубиной 3,4 метра, двигалась со скоростью 10 м/с, а волна №10, глубиной 2 метра - со скоростью 7,4 м/с. Три волны (№ 4,5,7) удалось обнаружить на трёх участках. Скорости движения этих селевых волн различаются от 0,3 м/с до 0,8 м/с, что говорит о непостоянстве скорости селевого потока.
Сотрудниками Австрийского Института Горных Опасностей была определена скорость потока по видеоматериалам в створе канала (530 м от устья ручья Фиршницбах), разброс значений составил от 4 до 10 м/с [НиЫ, 2012].
В таблице 3 и на рисунке 4 приведены результаты расчетов скоростей движения селевого потока по различным методикам, описанным в главе «материалы и методы».
Таблица 3. Скорости селевого потока, рассчитанные по различным методикам
Table 3. Velocity of debris flow, calculated according to different methods
Данные Скорость селя, м/с
№ селевой волны Глубина, м Уклон, град. по И.И. Херхеулидзе Академия ГПС МЧС России по В.В. Голубцову по М. Ф. Срибному по Кханну Скорость фронта(по видео)
1 2,7 10,6 5,2 10,2 4,6 5,4 8,7 8,1
2 2,7 10,6 5,2 10,2 4,6 5,4 8,7 7,2
3 3,4 10,6 5,9 11,4 5,2 6,3 9,9 10,0
4 2,5 10,6 5,0 9,8 4,5 5,2 8,3 8,1
5 2,9 10,6 5,4 10,5 4,8 5,7 9,0 8,8
6 3,0 10,6 5,5 10,7 4,9 5,8 9,2 9,3
7 3,2 10,6 5,7 11Д 5,0 6,1 9,6 9,8
8 3,4 10,6 5,9 11,4 5,2 6,3 9,9 9,6
9 2,5 10,6 5,0 9,8 4,5 5,2 8,3 8,5
10 2,0 10,6 4,5 8,7 4,0 4,4 7,3 7,4
4 2,5 10,2 5,0 9,7 4,4 5,1 8,2 7,9
5 2,9 10,2 5,4 10,.4 4,8 5,6 8,9 8,4
7 3,2 10,2 5,6 10,9 5,0 6,0 9,5 9,5
4 2,5 9,8 4,9 9,5 4,4 5,0 8,1 7,7
5 2,9 9,8 5,3 10,2 4,7 5,6 8,8 8,0
7 3,2 9,8 5,6 10,8 5,0 6,0 9,3 9,2
Рисунок 4. Скорости движения селевого потока Figure 4. The velocity of the debris flow
Результаты расчета скоростей движения селевого потока по разным методикам показали значительный разброс значений. Все использованные формулы выведены эмпирическим путем и включают в себя в основном такие характеристики, как глубина потока и уклон русла.
Например, Херхеулидзе И.И. и Голубцов В.В. выводили формулы расчета скорости движения селевого потока, основываясь на материалах, полученных при обследовании конусов выноса селевых потоков в Грузии и Казахстане соответственно.
Самые высокие значения скорости селевого потока дает формула, предложенная Академией ГПС МЧС России (8,7 м/с - 11,4 м/с). Если использовать данную формулу для определения параметров защитных сооружений, то с экономической точки зрения это будет нецелесообразно.
Формулы Голубцова В.В., Херхеулидзе И.И., Срибного М.Ф. дают заниженные значения скорости селевого потока, в отличие от определенных по видео, разброс значений составляет 2,5 м/с - 4,8 м/с. Использование формул, которые занижают реальные скорости движения селевых потоков, при строительстве защитных сооружений может привести к разрушению селезащитных инженерных сооружений и затоплению территорий.
На графике хорошо видно, что значения скоростей по формуле Кханна близки к значениям, определенным при помощи видеосъёмки. Однако в связи с тем, что в свободном доступе нет информации о теоретическом описании данной методики и о принципах, на которых построена формула Кханна, проверить предположения о степени надежности значений результатов не представляется возможным.
При расчете давления селевого потока на препятствие сравнивались рассчитанные нами значения скорости селя по различным методикам. При расчёте по формуле Гонора А.Л. и Пик-Пичака Е.Г., скорость звука принималась равной 300 м/с, процентное содержание воздуха в водонасыщенном грунте - 0,02, как среднее [Молжигитов, 2016]. Приведены некоторые результаты расчета давления селя на преграду в мегапаскалях (МПа), рассчитанных по скорости, определенной по видеосъемке (рисунок 5).
1,20 1,00 о, во
л
| 0,60 пГ"
0,40 0,20 0,00
12345 67В9 10
№ селевой волны
Рисунок 5. Давление селевого потока на преграду Figure 5. The impact load of mudflow on the obstacle
Расчет давления селя на препятствие по различным методикам также дает большой разброс значений - от 0,014 МПа до 1,13 МПа.
Значения, полученные по формуле Ржевского Б.Н. и Нечаева Н.Ф. колеблются от 0,72 МПа до 1,13 МПа, в то время как значения, полученные по формуле Херхеулидзе И.И., колеблются от 0,014 до 0,019 МПа. Несмотря на то, что формулы Ржевского Б.Н. и Нечаева Н.Ф., Херхеулидзе И.И и формула ГрузНИИГиМ относятся к классу гидродинамических моделей, результаты расчета по данным формулам сильно отличаются.
А "—V.
У / \ ( \ V \ V V
/ ч/ N ч. \
-поРтеашоглуБ.Н., НечаеЕуН.Ф.
■ поГоноруА.Л. и Пик-ПичакуЕ.Г.
поХиуЁлш Й. и Холцинеру Г.
по ГруэНИИГиЫ
-поХеряеулид^ И.И.
Формула Гонора А.Л. и Пик-Пичака Е.Г. [Гонор, Пик-Пичак, 1983] относится к классу волновой модели воздействия селевого потока и дает низкие результаты давления по сравнению с другими методиками.
Средние в полученном диапазоне результатов значения нагрузки селя на преграду дала формула Хюбля Й. и Холцинера Г., принадлежащая к классу комбинированной модели гидростатического и гидродинамического воздействия.
Эмпирические коэффициенты использованных формул были выведены лабораторным путем. Кроме этого, в них в основном используются такие характеристики, как плотность селевой массы и скорость потока. По нашему мнению, данные методики не отражают реального давления селевого потока на препятствие. Таким образом, возникает проблема, какую формулу лучше использовать для проектирования селезащитного сооружения.
Заключение
Материалы видеосъёмки грязекаменного селя, сошедшего 4.08.2012 г. по ручью Фиршницбах, позволили:
• измерить скорость потока, которая на разных участках селепропускного канала составляла от 7,2 м/с до 10,0 м/с;
• выделить 10 чётко выраженных селевых волн;
• определить характер движения волн;
• у большинства селевых волн скорость фронта оказывалась выше значений данной характеристики для основного тела волны, наблюдалось растекание селевой массы вдоль бортов бетонированного селепропускного канала;
• у 6 из 10 волн был зафиксирован рост скорости при движении вниз по ступеням канала, однако для получения однозначных выводов о приращении скорости потока вследствие ступенчатой конструкции канала при определенных характеристиках данного явления необходимы дальнейшие исследования.
Анализ имеющихся формул для расчета скорости селевого потока и давления селевой массы на препятствие показал, что самые большие значения скоростей получаются при расчёте по методике, предложенной Академией ГПС МЧС России, при этом разница со скоростями по видео составляла от 0,2 до 3,0 м/с. Расчёт по формулам Голубцова В.В., Херхеулидзе И.И. и Срибного М.Ф. даёт значения скорости селевого потока ниже измеренных
ГИДРОСФЕРА. ОПАСНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ
Том 1, Вып.1 2019
по материалам видеосъёмки. При этом необходимо отметить, что значения скорости, рассчитанные по указанным выше формулам, дают близкие между собой результаты.
Наиболее близкие к значениям скорости по видеосъемке были получены при расчёте по формуле Кханна. Но данная формула включает в себя числовые коэффициенты и две характеристики потока, что и в формулах, упомянутых выше.
Таким образом, полученные результаты по скоростям с одной стороны могут, как уменьшать значения скорости селевого потока (формулы Голубцова В.В., Херхеулидзе И.И., Срибного М.Ф.), так и завышать их (формула Академии ГПС МЧС России). В случае занижения результатов возникает риск разрушения объектов и сооружений, а в случае преувеличения - возникают неоправданные экономические затраты на организацию противоселевой защиты.
Поскольку в методиках расчета давления селя на препятствие используются эмпирические коэффициенты (как и в методиках расчета скорости селя), получение надежных результатов не представляется возможным. Разница в значениях давления селя, полученных при расчёте по различным методикам, колеблется от 0,014 МПа до 1,13 МПа. Наибольшие значения давления были рассчитаны по Ржевскому Б.Н. и Нечаеву Н.Ф. и находятся в промежутке от 0,72 МПа до 1,13 МПа Результаты, полученные по Гонору А.Л. и Пик-Пичаку Е.Г. и Херхеулидзе И.И близки между собой.
Измерение реальных значений скорости селевых потоков по материалам видеосъёмки, размещённых в Интернете, позволяет получить массовый и статистически значимый материал о значениях скорости, волновой динамике и характере движения селевого потока, необходимых для создания физических и математических моделей селя, основанных на реальных значениях его характеристик. Такие модели, в свою очередь, позволят разрабатывать методики расчёта динамических характеристик потока для применения при проектно-изыскательских работах.
Виноградов Ю.Б. Этюды о селе- Aulitzky Н. The debris flows of Austria. Bulletin of the In-вых потоках. Л. : Гидрометеоиз- ternational Association of Engineering Geology (Bulletin
Литература
References
дат, 1980. 144 с.
de l'Association Internationale de Géologie de l'Ingénieur), 1989, vol. 40, iss. 1, pp. 5-13. DOI: 10.1007/BF02590338
Голубцов В.В. О гидравлическом Golubtsov V.V. O gidravlicheskom soprotivlenii i formule
сопротивлении и формуле для рас- dlya rascheta srednei skorosti techeniya gornykh rek
чета средней скорости течения [About the hydraulic resistance and a formula for calcula-
горных рек // Труды КазНИГМИ. tion of average speed of a current of the mountain rivers].
1969. Вып. 33. С. 30-41. Trudy Kazakhskogo regional'nogo nauchno-issle-
ГОНОр А Л Пик Пичак Е Г Чис dovatel'skogo gidrometeorologicheskogo instituta [Transactions of the Kazakh Regional Hydrometeorological Re-
ленное моделирование удара
~ search Institute], 1969, no. 33, pp. 30-41. (in Russian). снежной лавины по твердой J' ' ' ^ v '
стенке // Известия Академии наук Gonor A.L., Pik-Pichak E.G. Chislennoe modelirovanie
СССР. Механика жидкости и газа. udara snezhnoi laviny po tverdoi stenke [Numerical mod-
1983. № 6. С. 86-91. eling of snow avalanche impact on a solid wall]. Izvestiya
Tf и л n Akademii nauk SSSR. Mekhanika zhidkosti i gaza [News of
Казаков Н.А. Волновая динамика ° L J
- // -г- тт the USSR Academy of Sciences. Mechanics of fluid and
селей // 1 еоэкология. Инженерная J J J J
у у gas], 1983, no. 6, pp. 86-91. (in Russian). геология. Гидрогеология. Геокриология. 2001. № 2. С. 158-164. Hubl J. Event documentation, Volume 3: Annual review
^ ту r\ of events. IAN Report 150. Vienna, February 2013, 88 p. Молжигитов С.К. Оценка удар- ^ J ^
(in German).
ной нагрузки селевого потока на
поперечную жесткую преграду // Kazakov N.A. Volnovaya dinamika selei [Wave dynamics
Международный журнал приклад- of debris flows]. Geoekologiya. Inzhenernaya geologiya.
ных и фундаментальных исследо- Gidrogeologiya. Geokriologiya. [Geoecology. Engineer-
ваний. 2016. № 3 (часть 1). ing geology. Hydrogeology. Geocryology], 2001, no 2,
С. 16-20. pp. 158-164. (in Russian).
Срибный М.Ф. Формула средней Molzhigitov S.K. Otsenka udarnoi nagruzki selevogo
скорости течения рек и их гидрав- potoka na poperechnuyu zhestkuyu pregradu [Estimation
лическая классификация по сопро- of the impact load of the mudflow on the transverse rigid
тивлению движению // Исследова- barrier] Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh i fundamen-
ния и комплексное использование tal'nykh issledovanii [International journal of applied and
водных ресурсов. М.: Изд-во АН fundamental research], 2016, no. 3 (part 1), pp. 16-20.
СССР, 1960. С. 204-220. (in Russian; abstract in English).
Aulitzky Н. The debris flows of Aus- Sribnyi M.F. Formula srednei skorosti techeniya rek i ikh
tria // Bulletin of the International gidravlicheskaya klassifikatsiya po soprotivleniyu
rHflPOCOEPA. OüACHblE nPO^CCLI H ^BHEHHÄ Т0м 1, Bi>in.1 2019
Association of Engineering Geology (Bulletin de l'Association Internationale de Géologie de l'Ingénieur). 1989. Volume 40. Issue 1. P. 5-13. DOI: 10.1007/BF02590338
Hübl J. Ereignisdokumentation, Band 3: Jahresrückblick der Ereignisse. IAN Report 150. Wien, Februar 2013, 88 p.
Vinogradova T.A., Vinogradov A.Y. The experimental debris flows in the Chemolgan river basin // Natural Hazards. 2017. Vol. 88. Suppl. 1. PP. 189-198. DOI: 10.1007/s11069-017-2853-z
dvizheniyu [Formula of the average flow velocity of rivers and their hydraulic classification by resistance to the movement] Issledovaniya i kompleksnoe ispol'zovanie vodnykh resursov [Researches and complex use of water resources]. Moscow: Publishing house of the USSR Academy of Science, 1960, pp. 204-220. (in Russian).
Vinogradov Yu.B. Etyudy o selevykh potokakh [Etudes about mud stream]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1980. 144 p. (in Russian).
Vinogradova T.A., Vinogradov A.Y., 2017. The experimental debris flows in the Chemolgan river basin. Natural Hazards, Vol. 88, No. 1, pp. 189-198. DOI: 10.1007/s11069-017-2853-z
