Лёд и Снег • 2013 • № 2 (122)
УДК 551.578.481
Изменение параметров лавинообразования в ближней зоне от места проведения взрыва
© 2013 г. Е.Г. Мокров1, Н.В. Барашев2
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова;
2ЗАО «Северо-Западная фосфорная компания», Кировский филиал, пос. Коашва Мурманской обл.
snowaval@yahoo.com
Статья принята к печати 20 февраля 2013 г.
Взрыв, параметры лавинообразования, плотность снега, прочность снега на сдвиг, снежные лавины.
Avalanche formation parameters, explosion, snow avalanche, snow density, snow strength.
Рассмотрены результаты экспериментов по исследованию пространственного изменения параметров лавинообразования в зависимости от массы взрывчатого вещества и его местоположения. Взрывы проводились в пяти местах: на поверхности земли; в снежной толще на высоте 0,6 м от поверхности земли; на поверхности снега; на высоте 1 и 2 м над поверхностью снега. Мага взрывчатого вещества составляла 0,5, 1, 2 и 4 кг. Место эксперимента - плато Суолуайв (600 м над ур. моря) в Хибинах в марте 2012 г. Исследования показали, что нарушение структуры снега, его плотности и прочности на сдвиг в местах взрывов происходит по всей глубине снежной толщи и зависит от структуры и плотности слоёв снега, а также от массы взрывчатого вещества и места проведения взрыва.
Цель настоящего исследования — изучить изменения основных параметров лавинообразования в ближней зоне (десятки метров) от места взрыва в зависимости от массы используемого взрывчатого вещества (ВВ) и эпицентра взрыва. Мы рассмотрим результаты анализа экспериментальных данных, полученных на плато Суолуайв (600 м над ур. моря) в Хибинах в марте 2012 г. Пространственное распределение параметров лавино-образования исследовалось в зависимости от массы ВВ и глубины размещения заряда в снежной толще. Выполнены также взрывы на поверхности снега и на различной высоте от поверхности.
Исследования и результаты
В снежном покрове наблюдаются три вида воздействия взрыва на снег: 1) колебания подстилающей поверхности (сейсмический эффект); 2) прямая передача импульса в снег; 3) акустическое воздействие (ударная воздушная волна). Все три эффекта вместе отмечаются только во время профилактического спуска лавин путём подрыва ВВ в снежном покрове в зоне зарождения лавины. Сравнительная простота этого метода делает взрыв незаменимым в условиях небольшого лавиноопасного участка. Его можно использовать также при защите от лавин отдельных объектов, когда содержание специального миномётного или орудийного расчёта экономически невыгодно. В ряде случаев, когда невозможно или неэффективно использовать миномёты, артиллерию или
взрывы зарядов ВВ в верхней части склона, взрывы проводят в нижней части этого или противоположного склона [3, 5]. При этом учитывается отражающее действие отдельных скальных выступов и склонов долины.
В настоящее время при использовании обстрелов и взрывных работ сформировались два направления: 1) проверка степени устойчивости снежного покрова на склоне; 2) обрушение неустойчивых масс снега. В первом случае взрывные работы и обстрелы носят профилактический характер и могут привязываться к конкретной снежно-метеорологической обстановке. В случае неустойчивого состояния снега на склоне достаточно небольшого добавочного воздействия, чтобы вызвать сход лавины. При этом сход лавин может быть обусловлен рядом причин: разрушением связей в снежной толще и уменьшением удерживающих сил; воздействием сейсмических вибраций, нарушающих связи снежной толщи с подстилающей поверхностью (рис. 1); действием избыточного давления от ударной воздушной волны при взрыве в воздухе на снежную толщу, находящуюся на склоне.
Если же сход лавины при взрыве не происходит, то результат воздействия также будет в определённой степени положительным — устойчивое равновесие снега на склоне устанавливается путём ликвидации или перераспределения напряжений в снежной толще в области воздействия взрыва [1]. Ряд исследований проведён для определения изме-
Е.Г. Мокрое, Н.В. Барашев
Рис. 1. Предполагаемая схема уплотнения ослабленного слоя и уменьшения сопротивления на сдвиг вследствие снижения контактов между снежными кристаллами под воздействием взрыва. Внизу — график предполагаемого изменения прочности снега на сдвиг после воздействия на него взрыва Fig. 1. Expected scheme of sliding horizon compaction and the shear resistance reduction due to reduced contact between the snow crystals depending on the explosion influence. Down - diagram of assumed snow shearing strength changes after explosion
нении структуры и плотности снега в районах разрыва мин [1, 6]. Установлено, что влияние взрыва на плотность снежного покрова распространяется не только на область нарушенной структуры, но и за её пределы. Структура снега в местах взрывов изменяется во времени в сторону цементации беспорядочно расположенными ледяными корками (ледяным каркасом), что позволило авторам сделать вывод о закрепляющем эффекте миномётных обстрелов зон зарождения лавин. Ударная воздушная волна от взрыва создаёт дополнительную нагрузку на снежную толщу в зоне зарождения лавины. Для усиления воздействия воздушной волны используют отражающее действие скальных выступов и склонов долины [2, 3].
Процессы, происходящие в снеге при действии взрыва (смещение, выброс, изменение напряжённого состояния, структурных связей и т.д.), определяются закономерностями распространения взрывных волн, характером их угасания с расстоянием от эпицентра взрыва, а также параметрами снежного покрова. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что общая качественная картина действия взрыва в снегу аналогична действию взрыва в мягких грунтах [4]. При измерении параметров взрывных полостей (радиус и глубина воронки, зона трещин и т.д.) для зарядов, масса которых менялась на порядок, установлено, что структуры полостей подобны и их размеры пропорциональны линейной массе заряда. Как и в грунтах, передний фронт взрывной волны на близких расстояниях представляет собой ударную волну; на далёких расстояниях разрыв на фронте волны исчезает.
Чтобы понять действие взрыва на параметры снежной толщи, рассмотрим два типа взрыва: 1) в воздухе над снежной толщей; 2) внутри снеж-
4 Лёд и Снег, № 2, 2013
ного покрова. Взрыв заряда, расположенного на поверхности снега, по своему воздействию можно отнести как к взрыву в снежной толще, который также вызывает образование ударной воздушной волны. На фронте ударной волны скачкообразно изменяются плотность, давление и температура. По мере распространения ударной волны её интенсивность уменьшается, с одной стороны, за счёт увеличения площади волнового фронта, с другой — в результате процесса диссипации и отдачи энергии снежному покрову. В итоге она трансформируется в акустическую волну — упругую волну меньшей амплитуды, которая состоит из фазы избыточного давления и последующей фазы пониженного давления. Влияние взрывных волн на снежную толщу в значительной степени зависит от рельефа местности и строения снежного покрова.
Эксперимент проводился 9 апреля 2012 г. в северо-восточной части плато Суолуайв (510 м) в Хибинах на снежном поле юго-восточной экспозиции с углом наклона 10° и площадью 30 тыс. м2 в непосредственной близости от зон зарождения лавин при температуре воздуха -3,2 °С. До начала эксперимента в пяти точках снежной толщи (четыре — по контуру и одна — в центре) было проведено шурфование. В среднем высота шурфа составляла 120 см (рис. 2). Плотность снега измерялась при помощи взвешивания на электронных весах бюксы со снегом определённого объёма. Прочность снега на сдвиг устанавливалась с использованием стандартного динамометра и рамки 10 х 10 см. Проведено 17 взрывов ВВ массой 0,5; 1; 2 и 4 кг: на поверхности земли, в снегу на высоте 0,6 м от поверхности земли, на поверхности снега и на высотах 1 и 2 м от поверхности снега. Взрывчатое вещество — аммонит 6ЖВ патроны (200 г), тротиловый эквивалент — 1 : 1.
Рис. 2. Осреднённые данные шурфования снежной толщи на плато Суолайв (9 апреля 2012 г.) до начала экспериментов: 1 - свежий метелевый снег; 2 - уплотнённый метелевый снег; 3—6 - среднекристаллическая глубинная изморозь; 7 - крупнокристаллическая глубинная изморозь Fig. 2. Averaged data of snow cover structure on the Suolayv plateau (09.04.2012) before the experiments: 1 - newly-deposited snow; 2 - deposited packed snow; 3-6 - medium crystal depth hoar; 7 - large crystal depth hoar
частицами. В дальнейшем контакты восстанавливаются, но число их становится другим в связи с полным нарушением текстуры и структуры снега в месте взрыва, что способствует трансформации прочностных характеристик снега. В разрезе воронки от взрыва хорошо различаются четыре зоны: собственно воронка; зона полного разрушения и дробления; зона раздавливания; зона трещин и сдвигов. Диаметр воронки соответствует известной зависимости (рис. 3) dв = k3G0 5, где к — коэффициент, м/кг1/3; G — масса заряда, кг.
Сильнее всего на прочностные характеристики снежной толщи влияют взрывы на поверхности снега. Так, при взрыве с массой ВВ 0,5 кг на поверхности снега плотность верхнего свежего мете-левого снега увеличилась со 160 до 260 кг/м3 на расстоянии 0,5 м от оси воронки (диаметр воронки 0,8 м); при массе ВВ 4 кг плотность снега в 1,5 м от оси воронки (диаметр воронки 2,1 м) составила 400 кг/м3 (рис. 4, I). Ненарушенная структура верхнего свежего метелевого слоя наблюдалась с расстояния 2,5 м при взрыве 0,5 кг ВВ и с 6 м — при взрыве 4 кг ВВ.
Плотность уплотнённого метелевого снега возросла с 280 до 350 кг/м3 на расстоянии 0,5 м от оси воронки при взрыве с массой ВВ 0,5 кг и составила 420 кг/м3 на расстоянии 1,5 м от оси воронки (диаметр воронки 2,1 м) при массе ВВ 4 кг. При этом прочность снега на сдвиг при взрыве с массой ВВ 0,5 кг на расстоянии 0,5 м от оси воронки уменьшилась с 1400 до 100 Н/м2, а при взрыве 4 кг ВВ на расстоянии 1,5 м от оси воронки — до 100 Н/м2
Шурфование выполнялось до взрыва и сразу после него. Шурфы в снежной толще после взрывов делались таких размеров, чтобы можно бы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.