РОЛЬ ПОЛНОМАСШТАБНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В СТАНОВЛЕНИИ НОВОЙ СЕЛЕВОЙ ПАРАДИГМЫ Текст научной статьи по специальности «Естественные и точные науки»

УДК 551.3

Б. С. Степанов1, Р. К. Яфязова2

1 Д.г.н., ведущий научный сотрудник (РГП «Казгидромет», Алматы, Казахстан) 2Д.т.н., ведущий научный сотрудник (РГП «Казгидромет», Алматы, Казахстан)

РОЛЬ ПОЛНОМАСШТАБНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В СТАНОВЛЕНИИ НОВОЙ СЕЛЕВОЙ ПАРАДИГМЫ

Аннотация. Приводятся описания экспериментов по воспроизведению искусственных селей на Чемол-ганском полигоне в 1972-1978 годах. Формирование селя осуществлялось путем регулируемого попуска воды из искусственного водохранилища емкостью 75 тыс. м3. Максимальный расход попусков мог достигать 100 м3/с. Во время экспериментов максимальный расход воды в шлюзе водохранилища составлял 30 м3/с, максимальный расход селя превышал 300 м3/с. Образование селя происходило в естественном селевом врезе, расположенном ниже водохранилища. Использовался комплекс селеметрической аппаратуры, особенностью которого являлось отсутствие механического контакта между селевым потоком и датчиками. Он включал в себя двухчастотный допплеровский измеритель поверхностной скорости потока и расстояния до его поверхности, что позволяло вычислять глубину потока; сейсмический измеритель расхода селя; квантовый магнитный градиентометр, позволяющий определять среднюю плотность селевой массы в объеме 300-500 м3.

По результатам экспериментов было установлено, что формирование плотной селевой массы происходит в результате взаимодействия сосредоточенного водного потока с рыхлообломочными породами, лежащими в русле. При этом преобладает эрозионно-сдвиговый селевой процесс. Деление селей на структурные и турбулентные носит условный характер, так как режим движения потоков меняется в процессе развития в зависимости от реологических свойств селевой массы, морфометрии пути движения и расходов селя.

Ключевые слова: искусственные сели, измерение характеристик селей, механика селей.

Введение. В 2017 г. исполнилось 45 лет со дня первого эксперимента по воспроизведению искусственного селевого потока в естественном селевом очаге на Чемолганском (ныне Шамал-ганском) полигоне Казахского научно-исследовательского гидрометеорологического института (КазНИГМИ).

«Искусственность» заключалась только в способе получения водного потока, поступавшего в селевой очаг. Водный поток был создан попуском воды из водохранилища, образованного плотиной, разработанной и созданной коллективом работников СКБ завода «Казгеофизприбор» и отдела селевых потоков КазНИГМИ на месте прорана моренного озера, прорыв которого около 100 лет назад и привел к образованию селевого очага. С таким же успехом сель мог возникнуть и в результате выпадения мощного ливня на альпийских лугах в водосборе селевого очага. «Сам же процесс формирования селя ни в коей мере не может быть признан отличным от такового без участия человека» [1].

В результате экспериментов, выполнявшихся до проведения чемолганских экспериментов, отдельные поставленные вопросы нашли свое частичное решение. Отсутствие достоверных критериев подобия моделей реальному селевому процессу не позволяло использовать полученные результаты ни для познания закономерностей формирования и движения селей, ни для расчета их количественных характеристик. Настоятельно требовалось воспроизведение селевых потоков в натуральном масштабе, т.е. на 1-2 порядка превышающем масштабы предшествовавших опытов. Экспериментирование в таких масштабах позволяло выяснить механизмы вовлечения в селевой процесс валунно-глыбовых фракций рыхлообломочных селеформирующих пород, представляющих около половины их механического состава.

До проведения чемолганских экспериментов и прохождения селевого потока 15 июля 1973 г. на реке Малая Алматинка (ныне Киши Алматы), объем и плотность которого определены достаточно точно, большинство специалистов считало невозможным формирование грязекаменного селя большой плотности (более 2000 кг/м3) в результате взаимодействия водного потока с рыхлообломочными породами.

Основными задачами экспериментов являлись:

проверка гипотез о возможности формирования грязекаменных селей, гранулометрический состав твердого компонента селевой массы которых был представлен частицами от долей микрона до 10 м, при взаимодействии сосредоточенного водного потока с рыхлообломочными породами;

оценка критического расхода водного потока, при котором селеобразование носит стационарный характер;

оценка критического уклона селевого очага, при котором селеобразование носит стационарный характер;

получение данных о скорости распространения фронта селевого вала;

получение данных о балансе жидкого и твердого компонентов селевой массы на участках формирования и движения селей;

испытание бесконтактной селеметрической аппаратуры; подробная киносъемка селевых процессов на различных их фазах; оценка динамического давления на препятствия.

На проведение экспериментов, во время которых расход селя будет составлять сотни кубометров в секунду, было получено разрешение Правительства Казахской ССР.

Чемолганский полигон КазНИГМИ состоит из 5 участков (рисунок 1):

водохранилища;

главного селевого очага;

транзитного участка;

нижнего селевого очага;

зоны трансформации селя.

Емкость водохранилища оценена в 70-75 тыс. м3. Максимальный расход водных попусков мог достигать 80-100 м3/с при длительности попусков до 30 мин.

Рисунок 1 - Схема поперечных профилей и расположение участков размыва (1) и отложений (2) селевого потока в 1972 г. в бассейне р. Чемолган

Длина главного селевого очага по тальвегу составляла 930 м, площадь - 70 400 м2, средняя глубина селевого очага - 45 м, максимальная - 75 м, наибольшая ширина селевого очага - 150 м, средний уклон по тальвегу - 16°, объем селевого очага - 3,17 млн м3. Гранулометрическая кривая селеформирующих пород селевого очага представлена на рисунке 2, физико-механические характеристики рыхлообломочных пород в естественном залегании - в таблицах 1 и 2 [2]. Петрографические и физические характеристики крупных обломков приведены в таблице 3.

Рисунок 2 - Интегральные графики гранулометрического состава селеформирующих пород

Чемолганского селевого очага:

I - гранулометрический состав ПСМ;

II - гранулометрический состав заполнителя основных селеформирующих грунтов;

1 - аллювиально-пролювиальные, селевые грунты;

2 - пролювиальные грунты боковых притоков;

3 - верхнечетвертичные моренные грунты (верхний уступ);

4 - делювиально-гравитационные и гравитационные (склоновые) грунты;

5 - верхнечетвертичные моренные грунты (нижний уступ)

Транзитный участок, расположенный на высоте 2650-2500 м, представляет собой желоб, выработанный в коренных гранитоидных породах. Общая длина русла составляет 760 м при среднем уклоне 11,5°. На этом участке русла, обладающем малой шероховатостью и большой извилистостью, перемешивание селевой массы становится максимальным, вследствие чего отложение селевой массы (в том числе крупных частиц) практически не происходит. Это создает идеальные условия для оценки относительной скорости жидкого и твердого компонентов селевого потока.

На высоте 2484 м находится водопад общей высотой около 12 м, за которым расположен нижний селевой очаг, длина которого составляла 510 м, средний уклон его тальвега - 7,5°. Ниже этого селевого очага расположена зона трансформации селя, ширина которой в среднем была 150 м, длина - более 2,5 км, средний уклон - 5°. В этой зоне происходило отложение наиболее крупных фракций твердого компонента селевой массы, вызванное резким уменьшением глубины потока, обусловленное разливом селевой массы по широкому дну долины. Так как глубина потока становилась меньше размеров крупных фракций, действие на них архимедовой силы уменьшалось, а сила трения увеличивалась.

Таблица 1 - Физико-механические характеристики рыхлообломочных пород

№ выра- ботки Объем вынутой породы, дм3 Вес вынутой породы, кг Влажность, % Плотность грунта, кг/м3

мелкозема (<2 мм) обломков (>2 мм) грунта в массиве в естественном залегании абсолютно сухого

Ш-1 1307 2672 12,0 0,6 3,6 2040 1970

Ш-2 1089 2440 15,6 0,6 4,0 2240 2150

Ш-5 7375 16 408 11,5 0,6 2,3 2200 2170

Ш-7 518 1162 8,8 0,6 2,9 2250 2190

Ш-6 892 1965 9,7 0,6 3,2 2200 2130

Таблица 2 - Гранулометрический состав рыхлообломочных пород в естественном залегании, %

№ выра- ботки Размер фракций, мм

1000-500 500-200 200-100 100-50 50-20 20-2 2-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,002 <0,002

Ш-1 2,3 20,0 7,1 6,7 5,9 30,7 24,8 1,5 0,5 0,3 0,2

Ш-2 2,2 15,4 3,0 5,6 5,9 44,2 21,3 1,8 0,1 0,1 0,4

Ш-5 8,7 50,3 9,5 1,8 1,9 10,2 14,7 1,8 0,5 0,3 0,3

Ш-7 10,4 16,8 6,6 5,8 5,9 26,0 26,5 1,6 0,2 0,1 0,1

Ш-6 11,0 5,1 1,6 4,4 5,8 43,6 26,2 1,7 0,2 0,3 0,1

Таблица 3 - Физические характеристики крупных обломков разного петрографического состава

Петрогра- фические разности пород Плотность обломков при естественной влажности, кг/м3 Естественная влажность (по весу), % Плотность, кг/м3 Пористость, %

абсолютно сухих обломков вещества мелкозема вещества по литературным данным

Граниты 2540 0,6 2520 2700 2650 5

Диориты 2800 0,6 2780 2700 2900 4

Для определения характеристик селей использовался комплекс селеметрической аппаратуры, особенностью которого являлось отсутствие механического контакта между селевым потоком и датчиками. Он включал в себя:

двухчастотный допплеровский измеритель поверхностной скорости потока и расстояния до его поверхности, что в не размываемом русле позволяло вычислять глубину потока;

сейсмический измеритель расхода селя;

квантовый магнитный градиентометр (интерпретация данных, получаемых с его помощью, позволяла определять среднюю плотность селевой массы в объеме 300-500 м3).

Все способы бесконтактного измерения характеристик селей и оповещения о селевой опасности защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

На все способы и конструкции измерительных устройств были получены авторские свидетельства СССР на изобретения [3-5]. Кроме того, осуществлялась стереоскопическая фотосъемка поверхности селя, а также съемка 35-миллиметровыми цветными профессиональными кинокамерами, число которых в эксперименте 1972 г. составляло 16.

Измерительный комплекс располагался над транзитным руслом выше водопада, за которым начинался нижний селевой очаг. Поскольку русло было образовано в коренных породах, его характеристики оставались практически неизменными на протяжении всех экспериментов, осуществлявшихся в 1972, 1973, 1975, 1976 и 1978 гг.

Эксперименты по воспроизведению искусственных селей. Первый эксперимент на Чемол-ганском полигоне начался в 12 ч 15 мин 27 августа 1972 г. при уровне заполнения водохранилища

3.06 м, что соответствовало объему накопленной воды 42 тыс. м3. На открытие затворов плотины было затрачено 2 мин, на закрытие - 4 мин 15 с, истечение воды при полностью открытых затворах длилось 12 мин 15 с. На момент закрытия затворов уровень воды в водохранилище понизился на 0,4 м.

Пространственное перераспределение объема рыхлообломочных пород, в ходе их вовлечения в селевой процесс и отложения твердого компонента при деградации селя на относительно малых уклонах, рассчитывалось на основе данных топографических измерений, которыми было охвачено

4.6 км селевого очага, русла и поля выноса. Нивелирование проводилось на 84 поперечных профилях, из которых 28 были расположены в селевом очаге, 10 - в русле реки, 19 - в нижнем селевом очаге и 27 - на поле выноса. Установлено, что из селевого очага вынесено 24,2 тыс. м3 рыхлообломочных пород. Около 50 % объема пород вовлечены до 15-го поперечника, ниже его интенсивность вовлечения рыхлообломочных пород в селеобразование уменьшалась. Увеличение объема селевого потока происходило до 47 поперечного профиля, после чего произошло значительное отложение селевой массы. Ниже 62-го поперечного профиля объем селя возрастал или уменьшался, однако до 78-го профиля преобладало отложение селевой массы. В дальнейшем, до 88 профиля, объем селя повышался. Ниже 88-го профиля на протяжении 6 км отложения визуально имели вид, типичный для грязекаменных селей Иле Алатау. Было определено, что изменение уклона русла на этом участке носило знакопеременный характер на фоне общего незначительного уменьшения уклона долины. Вовлечение рыхлообломочных пород в селевой процесс происходило на участках сужения русла, отложение - в местах расширения поймы, на поворотах и разветвлениях русла.

Полученные данные позволяют предположить, что вовлечение или отложение твердого компонента селевой массы определялось энергией потока, которая возрастала с ростом его глубины с одновременным повышением скорости. Средняя плотность селевой массы оценена в 2070 кг/м3.

В процессе подготовки к проведению первого эксперимента по воспроизведению искусственного селя в донной части главного селевого очага в целях определения гранулометрического состава и плотности селеформирующих пород в условиях природного залегания был пройден семиметровый шурф.

После завершения этих работ в шурфе была установлена труба диаметром 0,2 м, которая в комплексе с измерительным и регистрирующим устройствами предназначалась для контроля за уровнем грунтовых вод. Это устройство должно было подтвердить гипотезу, в соответствии с которой «... поступление прорывной волны достаточной мощности в очаг локального селеобра-зования приводит к затоплению рыхлообломочных отложений. Вибрационные сотрясения, вызванные прохождением прорывной волны, разрушают жесткие связи затопленного грунта. В этом случае возникшие напряжения воспринимаются водой и песчано-глинистым заполнителем, что приводит к потере равновесия рыхлообломочных пород и массовому вовлечению их в поток. При продвижении вниз по крутопадающему руслу происходит перемешивание воды и грунта и создается поток грязекаменной селевой массы» [6].

Обсуждение результатов и выводы. Первый же эксперимент в 1972 г. сорвал покров таинственности с одного из сложнейших и интереснейших природных процессов. Селевой вал достиг створа, в котором измерялся уровень грунтовых вод раньше, чем были отмечены какие-либо изменения в уровне грунтовых вод. А поскольку плотность селевой массы в этом створе составляла 2300-2400 кг/м3, вывод был однозначным: формирование плотной селевой массы является результатом взаимодействия сосредоточенного водного потока с рыхлообломочными породами, вмещающими русло.

Наиболее мощный искусственный сель был воспроизведен в 1975 г. Изменение уровня воды в водохранилище и гидрографы водных попусков приведены на рисунке 3.

Изменение во времени расхода селя 1975 г. показано на рисунке 4. На этом же рисунке приведены данные об изменении магнитного поля, создаваемого твердым компонентом селевой массы, интерпретация которого совместно с информацией о размере и форме сечения потока в створе наблюдения позволяет оценить изменение плотности селевой массы. Некоторые данные о плотности селевой массы представлены на этом же рисунке.

Рисунок 3 - Уровень воды в водохранилище (1) и гидрограф попусков воды из водохранилища (2)

Рисунок 4 - Изменение расхода селевого потока (1) и напряженности магнитного поля во времени (2). а - первый водный попуск; б - второй водный попуск

Как заметил впоследствии Ю. Б. Виноградов, «... в результате проведения экспериментов несколько модернизировались и взгляды автора, который ранее предполагал развитие в селевых очагах типа Мало-Алматинского, Чимбулакского и Чемолганского сдвигового селевого процесса, а не эрозионно-сдвигового, как это оказалось на самом деле» [1].

Данные экспериментов на Чемолганском полигоне, впоследствии подтвержденные результатами анализа следов прохождения катастрофических селей в различных регионах страны, свидетельствуют о том, что вещественный состав потоков в процессе селеформирования может изменяться в широких пределах: от воды до селевой массы, в которой объемное содержание воды не превышает (6±1) %. При этом реологические свойства селевой массы качественно изменяются: если вода является вязкой жидкостью, то плотная селевая масса, как правило, обладает ярко выраженными вязкопластическими свойствами.

Стало очевидным, что деление селей на структурные (ламинарные) и турбулентные носит условный характер, ибо режим движения потоков определяется не генезисом селей, а реологическими свойствами селевой массы, морфометрией пути движения селей, их расходом.

Обработка результатов определения характеристик селей показала, что плотность селевой массы является сложной функцией уклона русла, его длины, вещественного состава селефор-мирущих пород, степени их консолидации и увлажнения и т.д. Это обстоятельство породило ряд принципиально важных вопросов, возникающих при проведении расчетов характеристик селей в целях обоснования селезащитных мероприятий.

Одним из них был вопрос о характере течения селевых процессов при изменении морфометрических характеристик пути движения селей, в частности будет ли селевая масса и далее обогащаться рыхлообломочными породами либо произойдет ее частичный распад, либо остановка. Первостепенная практическая значимость обоснованности ответа на этот вопрос послужила толчком для развития нового направления в изучении селевых явлений - разработки теории существования селевой массы (ключевого элемента теории трансформации характеристик селей).

ЛИТЕРАТУРА

[1] Виноградов Ю.Б. Искусственное воспроизведение селевых потоков на экспериментальном полигоне в бассейне р. Чемолган // Селевые потоки. - М.: Гидрометеоиздат, 1976. - № 1. - С. 3-6.

[2] Вардугин В.Н. Основные физико-механические свойства селеформирующих грунтов и селевых отложений в бассейне р. Чемолган // Селевые потоки. - М.: Гидрометеоиздат, 1976. - № 1. - С. 25-34.

[3] А.с. 539220 СССР, М.Кл2 G 01 F 1/66. Способ измерения расхода водных, водных наносонесущих и селевых потоков в необорудованных руслах / Ю.Б. Виноградов, В.А. Красюков, Б.С. Степанов (СССР) / №2127532/10; Заявлено 17.04.75; Опубл. 15.12.76; Бюл. № 46.

[4] А. с. 623136 СССР, М.Кл.2 G 01 N 9/00. Способ измерения плотности селевых потоков / Б.С. Степанов, Т.С. Степанова (СССР) / №2400770/18-25; Заявлено 23.08.76; Опубл. 05.09.78; Бюл. № 33.

[5] А. с. 698505 СССР, М.Кл.2 G 01 S 9/04. Допплеровский измеритель дальности / Б.С. Степанов, В.М. Силлер, П.И. Коваленко, В.А. Красюков (СССР) / № 2585600/18-09; Заявлено 01.03.78.

[6] Хонин Р.В. Характеристики и распространение очагов селеобразования на северном склоне Заилийского Алатау // Труды КазНИГМИ. - Алма-Ата, 1971. - Вып. 51. - С. 57-66.

REFERENCES

[1] Vinigradov Yu.B. Artificial debris flows at the experimental site in the basin of the Chemolgan river // Debris flows. M.: Gidrometeoizdar, 1976. N 1. P. 3-6 (in Rus.).

[2] Vardugin V.N. Вардугин В.Н. Basic physical and mechanical properties of debris flow forming grounds and debris flow depositions in the basin of the Chemolgan river // Debris flows. M.: Gidrometeoizdaт, 1976. N 1. P. 25-34 (in Rus.).

[3] C. a. 539220 USSR, М.К1.2 G 01 F 1/66. Method for measuring the flow rate of water, water nano-bearing and mudflow flows in unequipped channels / Yu.B. Vinogradov, V.A. Krasyukov, B.S. Stepanov (USSR) / N 2127532/10; Declared 17.04.75; Publ. 15.12.76; Bul. N 46 (in Rus.).

[4] C. a. 623136 USSR, М.К1.2 G 01 N 9/00. Method for measuring the density of debris flows / B.S. Stepanov, T.S. Stepanova (USSR) / N 2400770/18-25; Declared 23.08.76; Publ. 05.09.78; Bul. N 33 (in Rus.).

[5] C. a. 698505 USSR, М.К1.2 G 01 S 9/04. Doppler range meter / B.S. Stepanov, V.M. Siller, P.I. Kovalenko, V.A. Krasyukov (USSR) / N 2585600/18-09; Declared 01.03.78 (in Rus.).

[6] Khonin R.V. Characteristics and distribution of debris flow on the northern slope of the Zailiyskiy Alatau // Proceedings KazSIGMI. Alma-Ata, 1971. Issue 51. P. 57-66 (in Rus.).

Б. С. Степанов1, Р. К. Яфязова2

1Г.г.д., жетекш гылыми кызметкер («Казгидромет» РММ, Алматы, Казахстан)

2Т.г.д., жетекшi гылыми кызметкер («Казгидромет» РММ, Алматы, Казахстан)

ЖАЦА СЕЛД1К ПАРАДИГМАНЬЩ ЦАЛЫПТАСУЫНДАГЫ ТОЛЬЩ АУЦЫМДЫ ЭКСПЕРИМЕНТТЕРДЩ РОЛ1

Аннотация. 1972-1978 жылдарда Шамалган полигонында жасанды селдер жасап керу эксперимент-тершщ сипаттамасы келдiрiледi. Севд калыптастыру сыйымдылыгы 75 мьщ м3 болатын жасанды су бегеншен суды реттеулi тYPде ж1берш отыру аркылы жузеге асырылды. Су ж1берудщ максимумдык шыгыны 100 м3/с жеттг Эксперимент барысында су бегеншщ шлюзшдеп максимумдык шыгын 30 м3/с кураса, селдщ

максимумдьщ шыгыны 300 м3/с-тен жогары болды. Сел су бегеншен темен орналаскан табиги селдж жы-рындыда калыптастырылды. Сел елшепш аппаратура кешенi колданылды, онын ерекшелш сел агыны мен датчиктер арасындагы механикалык байланыстын болмауында. Ол агын терендiгiн елшеуге мумкшдж беретiн агын бетшщ жылдамдыгы мен онын бетше дейiнгi кашыктыкты аныктайтын екiжиiлiктi допплерлж елшегiштi; сел шыгынын сейсмикалык елшепштц келемi 300-500 м3 болатын сел массасынын орташа ты-гыздыгын аныктауга мYмкiндiк беретiн кванттык магниттiк градиентометрдi камтиды.

Эксперименттер корытындысында тыгыз сел массасы багытталган су агынынын арнада жаткан бор-пылдак кесек тау жынысымен езара байланысы нэтижесiнде калыптасатыны аныкталды. Бул жагдайда эрозиялык-ыгысу селдж процесi басым болады.Селдердiн жiктемелiк жэне турбуленттiлiк болып белiнуi шартты турде гана, себебi агын козгалысынын режимi даму барысында сел массасынын реологиялык касиеттерiне,козFалу жолынын морфометриясына жэне сел шыгындарына байланысты езгередi.

ТYЙiн сездер: жасанды селдер, сел сипаттамаларын елшеу, селдер механикасы.

B. S. Stepanov1, R. K. Yafyasova2

'Doctor of geographical science, leading research worker («Kazhydromet» RSE, Almaty, Kazakhstan) 2Doctor of technical science, leading research worker («Kazhydromet» RSE, Almaty, Kazakhstan)

THE ROLE OF FULL-SCALE EXPERIMENTS IN THE FORMATION OF THE NEW DEBRIS FLOW PARADIGM

Abstract. Descriptions of experiments on artificial debris flows at the Chemolgan test site in 1972-1978 are given. The formation of debris flow was carried out by a controlled release of water from an artificial reservoir with capacity 75 thousand m3. The maximum discharge rate could reach 100 m3/s. During the experiments the maximum water discharge was 30 m3/s, the maximum discharge of debris flow exceeded 300 m3/s. The formation of mudflow occurred in a natural cnannel below the reservoir. A complex equipment was used for measuring debris flow characteristics, the feature of which was the absence of mechanical contact with the debris flow. It included a two-frequency Doppler meter of the surface flow velocity and distance to its surface, which made it possible to calculate the depth of the flow; seismic flow meter; a quantum magnetic gradiometer that makes it possible to determine the average flow density in a volume of 300-500 m3.

According to the results of the experiments, it was found that the formation of a dense debris flow mass occurs as a result of the interaction of a concentrated water stream with loose rocks lying in the chsnnel. In this case, the erosion-shear mudflow process prevails. The division of debris flows into structural and turbulent types is conditional, since the flow regime changes in the course of development, depending on the rheological properties of the debris flow mass, the morphometry of the path of movement and the discharge of debris flow.

Keywords: artificial debris flows, measurement of debris flow characteristics, debris flow mechanics.