Размещено на http://www.allbest.ru/

3

• Содержание
• Введение
• Глава 1. История изучения селевых потоков
• Глава 2. Теоретические аспекты селевых потоков
• 1.1 Общая характеристика селевых потоков
• 1.2 Селевые очаги
• 1.3 Селевые процессы
• 1.4 Движение селевых потоков высокой плотности
• 1.4.1 Лахары
• Глава 3. География селеопасных районов
• Глава 4. Противоселевые сооружения
• Заключение
• Список использованных источников
• Введение
• Селевые потоки - одно из самых опасных и распространенных гидрологических явлений в горных странах и вообще в мире больших уклонов. Проблема селей постоянно остается проблемой не только в силу того, что селеведение будет и впредь непрерывно развиваться, но и в связи с особой спецификой самого явления. Во-первых, ими занимаются представители целого спектра наук (гидрологии, геологии, геоморфологии, географии, механики, реологии), а значит, полноценно практически никто. Во-вторых , систематические измерения проходящих селевых потоков и сопутствующих явлений по разным причинам, в том числе и очевидным, никем не проводятся. И, наконец, в-третьих, экспериментальные и полевые исследования селевых потоков требует столь большого финансирования и проявления настолько отчаянного энтузиазма, которые, по крайней мере, в России начала XXI в. недостижимы. Таким образом, цель этой работы - изучить сели, как опасное природное явление. Из цели вытекают следующие задачи:
• 1 Изучить селевые потоки, выявить причины и условия их образования.
• 2 Рассмотреть историю и методы изучения этого явления;
• 3 Рассмотреть расположение селеопасных районов;
• 4 Рассмотреть противоселевые мероприятия.
• Объектом данного исследования являются сели, предметом - сели, как опасное природное явление. селевой поток
• Метод, использованный в данной работе - картографический.
• Селевые потоки разнообразны по типу и характеру, но всегда это - горные потоки, состоящие из смеси воды и рыхлообломочной породы. В России принято заимствованное из арабского и тюркского языков слово «сель» (иногда «стиль»), хотя слово «сель» на разных языках звучит по-разному. Обычно оно соответствует понятию «грязевой» , «грязекаменный поток», но иногда является и непереводимым: мур, муре (Австрия, Германия), руфф, рюффе (Швейцария), гисс, гиссе (Карантин а Австрии), цуге (кантон Валлис и Швейцарии), баджир (Ява), сва (Карокорум, Гималаи), уайко (Перу), ямацуними (Япония).
• Что же такое сель? Это - горный поток, состоящий из смеси воды и рыхлообломочной горной породы. Возникают селевые потоки во время особо интенсивных ливней или при прорыве моренных озер и других ледниковых водоемов в результате взаимодействия воды и рыхлообломочной породы в ложбинах и ущельях, имеющих большой уклон. Основные признаки селей: внезапность и кратковременность действия.
• Глава 1. История изучения селевых потоков
• Еще в прошлом веке за границей появились статьи и заметки о разрушительных горных потоках в приальпийских странах. Однако в этих работах не было настоящего научного исследования; они носили главным образом описательный характер. И хотя в дальнейшем число подобных работ возросло, явление селевых потоков по-прежнему оставалось мало изученным.
• Русские исследователи проявили большой интерес к селевым потокам. В 1885 году инж. Псарев опубликовал В «Известиях Западно-Кавказского отделения Русского технического общества» статью о движении катастрофического селевого потока в г. Ордубаде и селе Акулиси Нахичеванского уезда. Вслед за этим появился целый ряд работ русских ученых и инженеров, посвященных селям. В частности, проф. К. И. Богданович в своем труде «Два пересечения Главного Кавказского хребта» (1902 г.) впервые дал определение селевого потока в зависимости от геологических условий бассейна и подверг анализу процессы выветривания горных пород, подготовляющие образование селевых потоков.
• Однако всесторонне, подлинно научное изучение селевых потоков началось лишь в годы сталинских пятилеток у нас в СССР.
• Огромную роль в изучении селевых потоков сыграли М.А. Великанова и проф. В.Н. Гончарова о движении наносов водными потоками. В Государственном гидрологическом институте (Ленинград) лауреатом Сталинской премии проф. Д.Л. Соколовским совместно с Е.П. Коноваловым и П. В. Покровским были проведены работы по систематизации селевых потоков в нашей стране по анализу процессов формирования и движения. Проф. М.Ф. Срибным был предложен метод расчета максимальных расходов селевых потоков. Особое значение для дальнейших исследований в этой области имело создание в 1940 году комплексного проекта защиты от Селевых потоков города Алма-Ата. Этот проект был разработан по заданию правительства специальной экспедицией, которую возглавили проф. Н.С. Дюрнбаум и проф. Д.Л. Соколовский.
• Указанные работы явились первым этапом на пути изучения важной проблемы.
• В 1947 году президиум Академии наук СССР принял решение о создании Комиссии по изучению селевых потоков, на которую возложена задача координации и направления всей научно-исследовательской работы в нашей стране. Эта комиссия, возглавляемая М.А. Великановым, уже провела две всесоюзные конференции по селевым потокам. Последняя конференция, состоявшаяся в октябре 1950 года наметила направление дальнейших исследований. В ближайшие годы должен быть создан атлас-кадастр (свод) селевых бассейнов СССР.
• Еще до войны в Тбилисском научно-исследовательском институте сооружений и гидроэнергетики под руководством проф. И.Г. Есьмана были проведены некоторые лабораторные исследования (проф. И. И. Рощин, инж. М. С. Гагошидзе и др.) Война прервала эти работы, но с еще большей широтой они развернулись в послевоенные годы: организованно несколько научно-исследовательских селевых станций; начались теоретические исследования в области формирования и движения селевых потоков.
• В Армении исключительно интересные исследования проведены в лабораторных условиях (на модели селевого русла) под руководством действительного члена академии наук Армянско ССР И. В. Егиазарова. В Казахстане при академии наук создан специальный сектор по изучению селевых потоков. Ряд интересных работ выполнен в Узбегистане - в Среднеазиатском институте лесомелиорации и водного хозяйства (доцент Ф.К. Кочерга). В последнее время начались работы по изучению селевых потоков в Азербайджане.
• Для того чтобы изучить явление природы, надо в первую очередь наблюдать его в натуре. Вот тут-то и начинаются главные трудности. Ведь селевые потоки, как мы знаем, формируются в труднодоступных местах, возникают внезапно и проходят в течение нескольких часов. Кроме того, бурный поток представляет опасность для наблюдателя
• Если трудно, а зачастую невозможно наблюдать, Совесткие ученые используют другие пути их изучения. Одним из них является физико-географическое изучение селевых бассейнов и периодические обследования, проходимые по следам проходящих паводков.
• Начиная с верховьев бассейна и до самой зоны отложения наносов (конус выноса) имеется множество следов формирования и отложения селя. Следовательно, надо предварительно хорошо изучить селевой бассейн, составить подробное географическое и геофизическое описание его склонов, русел и зоны отложений наносов, а после прохождения селевого потока вновь обследовать его по свежим следам. А следов опытный глаз найдет множество.
• Вот тянется по берегу ущелья, в пяти метрах выше дна русла, граница свежесодранного дерна. Выше ее - нетронутая трава, ниже - оголенная, как тупым ножом содранная, почва, срезанные и вывороченные корни деревьев. Очевидно, что до этой границы поднимался высший уровень потока.
• Вот в русле лежит огромный валун. Раньше его здесь не было. Значит, его принесло потоком. Почему же он остановился здесь? Тут на помощь человеческому глазу приходит невелир, теодолит или другой геодезический инструмент. Тщательно измерив уклон русла, обнаруживают, что выше валуна он круче, а ниже несколько положе. Следовательно, движущей силой потока хватило лишь на то, чтобы дотащить валун до данной точки. Измяряют длину, ширину и высоту валуна и, вычислив его вес поднимаются выше по склону. Предположение исследователей подтверждается. Чем круче уклон, тем более крупные валуны попадаются в русле.
• О зависимости между скоростью движения потока и размерами, а также весом передвигаемых камней дает представление таблица 1 в приложении А.
• По окатанности валунов, находящихся в русле, можно судить о том, откуда принесены эти камни и как давно лежат они в русле. При движении по склонам, а тем более в русловых потоках, камни трутся друг о друга, шлифуются и обтачиваются. Чем тверже порода, тем, естественно больше сопротивления оказывает камень истиранию и обтачиванию.: опытный глаз исследователя - геолога и гидролога - почти всегда может определить, сколько времени валун находился в условиях перекатывания под воздействием воды и какой путь он прошел.
• Но вот уж близка вершина. Ущелье постепенно расширяется, переходит в циркообразную воронку, а резкие очертания русла теряются. Склоны воронки густо покрыты камнями. Они лежат россыпями на развороченной почве. Это - материал, который вчерашний поток не успел отнести на русло. А камни, унесенные потоком вниз, оставили широкие следы в виде борозд, веером спускающихся в русло с боковых водоразделов и с вершины. По этим свежим бороздам можно определить пути поступления наносов и их характер. Дело в том, что часть наносов либо плавает на поверхности потока, либо находится во время движения внутри его: это - взвешенные наносы. Более тяжелые - например валуны - поток перекрывает или волочит по дну русла: это - влекомые наносы. Есть и промежуточная категория: это те наносы, которые то перекатываются по дну, то переходят во взвешенное состояние. Борозды образуются в тех случаях, когда наносы соприкасаются с поверхностью земли.
• Сделав необходимые съемки и зарисовки, исследователи отправляются в обратный путь. Размеры камней уменьшаются с каждой сотней метров спуска. Наконец, перед нами конус выноса. Он покрыт свежим слоем камня, перемешанного с застывшей грязью. И здесь характер окатанности может многое сказать исследователю. Например, камни, окатанные со всех сторон. Значит, они долго лежали в руслах, и вода их поднимала, перекатывала, поворачивала во все стороны, терла друг о друга: это - русловые выносы. А вот камень, с одной стороны хорошо отшлифованный, а другой - шероховатый и неровный. Значит, он торчал из земли в откосе берега (недалеко от выхода ущелья в долину) и поток не успел отшлифовать его со всех сторон; вода обточила только ту сторону, которая выходила на поверхность, еще когда камень торчал из земли. Таким образом, внимательный осмотр наносов может помочь разобраться в вопросе об их происхождении и о том, как работал поток.
• Если в нашем распоряжении имеется съемка конуса выноса, произведенная до происхождения селя, то мы можем точно определить объем отложений прошедшего потока. Для этого надо повторить съемку и наложить новый план и новые профили конуса выноса на старые. Так мы узнаем, на какую высоту в каждой точке поднялся конус выноса и насколько он вырос в ширину.
• Подобные съемки мы можем сделать и в русле для того, чтобы определить, какую работу произвел в любом его сечении селевой поток. Ведь сель не только откладывает наносы, он производит работу и по размыву дна русла. Чем слабее грунт, покрывающий дно, и чем сильней и насыщенней камнями поток, тем на большую глубину он может врезать русло. Известны случаи, когда русло углубляется на 5 - 7 метров.
• Очень часто поток проделывает двойную работу: сперва углубляет и размывает до русла, а затем заполняет его новыми наносами. Съемки поперечных профилей русла в различных сечениях позволяют определить, на сколько в результате прохождения селя повысилось или понизилось его дно.
• Углублениями и намывами дна русла не ограничивается работа, производимая селевым потоком. Он может срезать и берега, тем самым, расширяя русло. Это происходит обычно при поворотах ущелья, когда сель меняет направление. Тогда, стремясь идти по спрямленным линиям, поток может срезать целые слои откосов, если они сложены из слабых, поддающихся размыву горных пород. Могут происходить и обратные явления: от уменьшения скорости, вызываемого поворотом русла, образуются заторы и вынужденная остановка некоторой части наносов у берегов или отложения наиболее крупных валунов. В этих случаях русло после прохождения селя сужается.
• Таким образом, работу, проделанную потоком, можно выявить детальным обследованием и инструментальными съемками, произведенными сразу же после прохождения селя.
• Физико-географическое изучение бассейна и обследование, произведенное по следам прошедшего потока, пополняют умелым опросом местных жителей или случайных очевидцев прохождения селя. Жители поселков железнодорожной станций или селений, расположенных в горах и долинах вблизи селевых оврагов, могут рассказать, когда проходил поток, густой он был или жидкий, сколько времени он шел, какой высоты были волны или валы селя при выходе в долину, как часто они сменяли друг друга.
• Такие показания, сопоставляемые с данными инструментальных съемок и обследований, могут помочь вычислить скорости движения селевого потока, его объем, количество наносов и воды, проходившее каждую секунду в данном сечении, т. е. расход потока, ударную силу и характер его движения.
• Все эти данные нужны для того, чтобы правильно организовать борьбу с селевыми потоками и защиту от них.
• Но помимо материалов, полученных косвенными путями - обследованиями после прохождения селевых потоков, опросами очевидцев и так далее, - наука заинтересована в том, чтобы получить эти данные прямым путем. Так как трудно, а подчас невозможно, наблюдать прохождение селевого потока исследователю, эту работу возлагают на специальные приборы, которые будут автоматически измерять, и регистрировать скорости движения селя, горизонты его подъема, его ударную силу, а также автоматически брать пробу селевой массы.
• Над автоматизацией селевой гидрометрии успешно работают советские ученые и инженеры.
• Научный сотрудник Тбилисского научно-исследовательского института сооружений и гидроэнергетики инж. М.С. Гагошидзе совместно с инж. П. И. Бочоришвили сконструировал прибор, автоматически измеряющий горизонты селевых потоков.
• Полная автоматизация наблюдений за происхождением селей позволит нам получать исчерпывающие данные о каждом потоке, независимо от того, днем или ночью он проходил, наблюдал ли его кто-нибудь или нет.
• Но тут ученые сталкиваются еще с одной трудностью. Ведь даже в одном и том же бассейне сели образуются несколько десятков лет. А наша наука заинтересована в том, чтобы возможно быстрее получить необходимые данные для всесторонней оценки движения и работы водо-каменных потоков закончить разработку теории движения селей и обогатить арсенал эффективных мер борьбы с ними. Ученые не могут ждать, пока накапливаются материалы.
• На помощь науке приходят лабораторные исследования и моделирование. Мы знаем, что селевой поток образуется из воды, глины, песка, пыли и камней, вовлекаемых в движение потока. Последние элементы - мелкие и крупные части горной породы - и отличают селевой поток от водного. Значит, если в лаборатории исследовать свойства разжиженных в воде до различной густоты частиц горной породы, если воспроизвести движение такой массы в лотке небольшого масштаба, придав ему уклон, приблизительно соответствующий уклонам русел горных ущелий, то мы сможем получить много ценных и нужных нам данных. Мы узнаем, чем разжиженная порода физически отличается от воды, каковы ее основные качества - вязкость, способность удерживать внутри себя камни и другие твердые тела большого удельного веса, чем сама масса.
• Моделирование селевых потоков является следующим этапом в деле их изучения.
• Мы можем воспроизвести в лабораторных условиях русло какого-либо селевого лога, точно повторяя все его очертания, изгибы, повороты, уклоны, сужения и расширения, лишь геометрически уменьшив все размера примерно в 50 или 100 раз. Если по такой модели пропустить поток, схожий по своему составу и действительно прошедший в этом бассейне (но, разумеется, соответственно уменьшив размеры камней), то можно получить картину движения потока, очень близкую к истинной - природной. Будучи ограниченным
• Удобства и выгоды такого моделирования заключаются в том, что по лотку модели можно в спокойной обстановке, не торопясь и не будучи ограниченным коротким временем прохождения потока в натуре, пропускать селевую массу сколько угодно раз, изучая поведение потока и делая нужные измерения. На модели можно также исследовать, как будет вести себя селевой поток при встрече с сооружениями, которые предназначены для защиты от него.
• Раньше ни у нас, ни за рубежом как лабораторных исследований, так и моделирования селевых потоков не проводилось. Впервые лабораторные испытания и проверка на модели сооружений, запроектированных для защиты города от селевых потоков, были проведены в Советском Союзе перед войной Всесоюзным научно-исследовательским институтом гидротехники и мелиорации. Эти работы подробно описывает в своей книге проф. Н. С. Дюрнбаум. Была сооружена модель в 1 : 200 натуральной величины, на которой были размещены в том же масштабе все запроектированные сооружения: дамбы для отвода потока из одного русла в другое, котловины-наносоуловители, отводный канал. Лабораторные испытания помогли проектировщикам правильно разместить все сооружения и правильно их рассчитать.
• Следующие крупные работы по моделированию конкретного селевого потока в масштабе 1 : 100 были с успехом проведены в Ереване под руководством И. В. Егизарова. На модели было воспроизведено русло горной реки и создан искусственный поток, напоминающий сель, прошедший в 1946 году. Эти опыты дали не только много ценных материалов по существу, но и позволили решить некоторые вопросы моделирования.
• Одновременно в лабораториях других научно-исследовательских институтов нашей страны проводились и проводятся опыты по изучению физических свойств селевой массы. В частности опыты, проведенные в Тбилисском научно-исследовательском институте сооружений и гидроэнергетики, показали, что густые грязевые потоки качественно отличаются от водных, что наличие в них большого количества глинистых частиц изменяет характеристики потока.
• Оказалось, что в зависимости от наличия глинистых частиц и густоты смеси вязкость селевых потоков может быть еще больше, чем вязкость касторового масла. Поэтому густой грязевой поток обладает способностью удерживать в себе огромные многотонные валуны.
• Лабораторные исследования показывают. Что песчаные и глинистые селевые потоки могут вести себя совершенно по-разному и в движении и при остановке потока. Следовательно, сооружения, предназначенные для защиты от селевых потоков, должны проектироваться и строиться различно в зависимости от того, какие почвы образуют горные селевые склоны - песчаные, глинистые или смешанные.
• Большой интерес представляют данные о плотности селевой массы. Если принять плотность воды за единицу, то плотность селевых потоков, содержащих большое количество тяжелых частиц почвы и каменного материала, составит 1,3 - 1,8, а иногда и больше. Естественно, что поток, плотность которого почти в два раза выше плотности воды, должен обладать большой скоростью и ударной силой. Но не следует забывать, что селевой поток характеризуется также внутренним сопротивлением - вязкостью, которая, как мы уже знаем, оказывает обратное влияние на скорость: чем больше вязкость, тем меньше скорость.
• Изучить связь между вязкостью и плотностью очень важно для расчета движения селевых потоков.
• Наши ученые использовали для изучения все методы и средства, имеющиеся в распоряжении передовой советской науки.
• Д. Л. Соколовский предложил раздвинуть привычные рамки лаборатории, перенести опыты исследователей в природные условия. Создавать искусственные селевые потоки в небольших природных горных бассейнах, организовав для этого специальные наблюдательные станции - такой смысл его предложения. Идея эта была одобрена Всесоюзной конференцией по селевым потокам, и сейчас в Академии наук Казахской ССР уже ведется подготовка к организации таких опытных бассейнов.
• В Почвенном институте Академии наук СССР В. Б. Гусак произвел замедленную киносъемку движения потока, несущего песчинки и мелкие камни. Это интересное исследование наглядно показывает, как возникают вихри в движущейся жидкости с наносами, как эти поднимают, проносят и опускают на дно твердые тела.
• Познания о селевых потоках непрерывно расширяются. Но советские ученые не ограничиваются изучением природы, они вмешиваются в ее действия, активно участвуя в борьбе с селевыми потоками [1].
• Мы рассмотрели историю изучения селевых потоков. В этой главе говорится о том, как развивалось представление о селях и о людях, которые внесли большой вклад в их изучение. Это Псарев, Богданович, М.А. Великанова и проф. В.Н. Гончарова, проф. Д.Л. Соколовский совместно с Е.П. Коноваловым и П. В. Покровским проф. М.Ф. Срибной, проф. Н.С. Дюрнбаум и проф. Д.Л. Соколовский. Благодаря им и многим другим, была проведена систематизация селевых потоков в нашей стране по анализу процессов формирования и движения, метод расчета максимальных расходов селевых потоков, создание в 1940 году комплексного проекта защиты от Селевых потоков города Алма-Ата, создание, Комиссии по изучению селевых потоков, проведены некоторые лабораторные исследования. Так же для изучения селевых потоков были использованы следующие методы: физико-географический, лабораторные исследования и моделирование, опыты по изучению физических свойств селевой массы, также Д. Л. Соколовским было предложено перенести лабораторные опыты исследователей в природные условия.

Глава 2. Теоретические аспекты селевых потоков

2.1 Общая характеристика селевых потоков

Сели - паводки с очень большой концентрацией минеральных частиц, камней и обломков горных пород (от 10-15 до 75% объема потока), возникающие в бассейнах небольших горных рек и сухих логов и вызванные, как правило, ливневыми осадками, реже интенсивным таянием снегов, а также прорывом моренных и завальных озер, обвалом, оползнем, землетрясением. Опасность селей не только в их разрушающей силе, но и во внезапности их появления. Селям подвержено примерно 10% территории нашей страны. Всего зарегистрировано около 6000 селевых водотоков, из них более половины приходится на Среднюю Азию и Казахстан.

Соотношение количества твердого и жидкого вещества, которое может быть выражено плотностью смеси, - главное определяющее свойство потока. Плотность воды составляет 1000 кг/м³, а плотность вещества горной породы равна примерно 2700 кг/м³, что приблизительно соответствует действительности в подавляющем большинстве случаев. Плотность селевых потоков колеблется в широком диапазоне - от 1100 до 2500 кг/м³. Наряду с плотностью поведение селевой массы определяется ее составом, т. е. относительным количеством разных размеров.

В зависимости от состава и плотности селевой массы различают три типа селей: наносоводные, грязевые и грязекаменные. Указать точные граничные значения плотности для отдельных типов селевых потоков невозможно, но приближенные «стертые» границы для наносоводных, грязевых и грязекаменных потоков вырисовываются достаточно отчетливо: 1100 - 1500, 1600 - 2000, 2100 - 2500 кг/м³.

Наносоводный - селевой поток низкой плотности, возникающий при прохождении сильного паводка, срывающий крупнообломочный русловый материал, так называемую самоотмостку, и переносящий большое количество взвешенных и влекомых наносов за счет своей транспортирующей способности.

Грязевой - селевой поток высокой плотности, состоящий из грязи с возможным включением обломков горной породы.

Грязекаменный - селевой поток предельно высокой плотности, состоящий из обломков горной породы, промежутки между которыми заполнены грязью.

Как и другие стихийные явления, селевые потоки вписали многие мрачные страницы в историю борьбы человека с природой. Гибель людей, частично или полностью уничтоженные населенные пункты, разрушенные мосты и дороги, занесенные поля и сады, расходы на ликвидацию последствий вредного воздействия селей на селезащиту - вот та, которую платит человечество за недосмотр, неумение, опрометчивость, за пренебрежение к селевым потокам.

Но не следует воспринимать сели только как враждебное начало. Их существование в природе естественно и целесообразно. Известно, что процессу горообразования противоборствует противоположный ему противоположный ему, называемый денудацией. Он объединяет в себе целую группу элементарных процессов, направленных на уничтожение гор и возвышенностей и общее сглаживание поверхности планеты.

Горная порода под совместным воздействием воды, льда, ветра, колебаний температуры, химических и биологических явлений разрушается. Под влиянием силы тяжести продукты разрушения (выветривания) осыпаются вниз и накапливаются в рытвинах, бороздах и понижениях.

В заключение выступают процессы переноса - продукты выветривания перемещаются с гор на равнину под воздействием в первую очередь текущей воды и в меньшей степени льда и ветра. Роль ледниковой эрозии в свое время была сильно преувеличена, многие отложения, традиционно считавшиеся гляциальными, на проверку оказались селевыми. Другое, ставшее классическим, преувеличение связано с водной эрозией, которой всегда отводилась главенствующая роль в процессе денудации. Тем не менее известно, что отдельный селевой поток в небольшом горном бассейне единовременно может вынести столько обломочного материала, сколько его водному собрату, проходящему по тому же руслу, не одолеть за сотню лет. Значит и в этом случае селевые процессы в большей мере определяют ситуацию, особенно если учесть, что резкое увеличение наносов в реках часто связано с усилением селевой деятельности и что крупные валуны и глыбы, легко и непринужденно выносимые грязекаменными потоками, ручьям и рекам не под силу даже сдвинуть с места.

Таким образом, можно констатировать, не принижая значения других процессов переноса, что природа использует селевые потоки в качестве одного из основных агентов денудации. Поэтому роли селей в истории формирования рельефа и облика земной поверхности, до сих пор недооцениваемой, должны отдать должное.

2.2 Селевые очаги

Селевой очаг - морфологическое образование, способное концентрировать сток, вмещающее ПСМ и имеющее достаточный уклон для развития сдвигового и транспортно-сдвигового процесса и для формирования тем самым грязевого или грязекаменного потока высокой плотности.

Генетические типы селевых очагов:

1 обводнения;

2 взаимодействия.

Селевые очаги обводнения - ложбины в покровных рыхлообломочных породах с обнаженными, задернованными или заселенными склонами или в скальных и полускальных породах, вмещающие ПСМ при углах наклона б>б₁ и в которых способен развиваться сдвиговый селевой процесс с формированием селевых потоков высокой плотности.

Селевые очаги взаимодействия - ложбины, врезы, рытвины, русла, тальвеги а покровных рыхлообломочных породах и ложбины и кулуары в коренных породах, вмещающие ПСМ при углах наклона б₁ > б > б₂ и имеющие сверху импульсные прорывные водные системы или водосборы, способные формировать паводки с расходами, превышающими их критическое значение.

В этих селевых очагах способен развиваться транспортно-сдвиговый селевой процесс с формированием селевых потоков высокой плотности.

Ландшафтные типы селевых очагов:

Действующие (с видимыми следами селевой деятельности):

1 селевые обнажения;

2 селевые врезы;

3 селевые рытвины;

Потенциальные (без видимых следов селевой деятельности):

1 залесенные селевые ложбины;

2 задернованные селевые ложбины;

3 селевые ложбины с осыпными и курумными склонами;

4 селевые ложбины в скальных и полускальных массивах;

5 селевые ложбины на уступах морен.

Селевые обнажения - морфологические образования, возникшие в результате сноса почвенно-растительного покрова и рыхлообломочной породы при сдвиговом селевом процессе в случаях, когда подстилающие скальные породы или относительный водоупор, совпадающий с поверхностью скольжения, залегает неглубоко и днища ложбин достаточно широки (плоский ПСМ):

МФ=(0,01?0,06)(1?15).

Селевые врезы - мощные морфологические образования, выработанные обычно в толще древних моренных отложений и чаще всего приуроченные к резким перегибам рельефа; возникают в результате проявления сдвигового и транспортно-сдвигового селевых процессов.

Глубина измеряется несколькими десятками метров:

МФ=(0,4?0,8)(1?15).

Селевые рытвины - линейные морфологические образования, прорезающие элювиально-делювиальные рыхлообломочные отложения. Возникают также в результате проявления сдвигового транспортно-сдвигового селевых процессов:

МФ=(H/B)(L/B),

где H, B и L - соответственно средняя глубина, средняя ширина по верху и длина морфологического образования.

Полное наименование ландшафтного типа действующего селевого очага строится по примеру следующих: «обнажение в залесенной ложбине», «врез на уступе морены», «рытвина в скальном кулуаре».

Типы потенциально селевых массивов (ПСМ). Различают четыре типа ПСМ:

1 обводнения;

2 взаимодействия;

3 вовлечения;

4 аллювиальный, пролювиальный или аллювиально-пролювиальный.

ПСМ обводнения и взаимодействия соответствуют одноименным селевым очагам.

ПСМ вовлечения - скопления рыхлообломочной породы по пути движения уже сформировавшегося селевого потока высокой плотности, способные к вовлечению в этот поток.

Аллювиально-пролювиальный ПСМ - скопление более или менее окатанного обломочного материала в руслах малых горных и предгорных рек и временных водотоков (аллювий - отложения постоянных водных потоков, пролювий - то же, но временных).

Селевые водосборы и водосборы селевых очагов. Селевой водосбор - краткое наименование бассейна, содержащего стокообразующие поверхности и способные сформировать наносоводный селевой поток. Обычно - это водосборы поверхностного стока.

Водосбор селевого очага - часть селевого бассейна, принимающая непосредственное участие в питании селевого очага водой. В пределах может формироваться как поверхностный, так и почвенный, и грунтовый сток[2]

2.3 Селевые процессы

Традиционная формула, присутствующая почти во всех публикациях о селевых потоках, гласит, что для образования последних необходимо сочетание трех условий: наличия рыхлой горной породы, воды и уклона. Возникает вопрос: какой уклон является достаточным для образования селей? Различный для разных типов селевых процессов и потоков.

В основе понимания сущности селевых процессов лежит соотношение между напряжениями, пытающимися привести обломочную породу в движение и препятствующими этому. Будем иметь в виду массив влажной рыхлообломочной породы (потенциальный селевой массив - ПСМ), подтопленный стекающей водой на определенную глубину. Ниже использованы следующие обозначения:с₀, с - плотности воды и вещества горной породы, кг/м³; е, е^*, и (безразмерные величины) - статистическая и динамическая пористость и объемная влажность рыхлообломочной породы; h - толщина ПСМ над коренными породами или относительным водоупором, м; в - относительная (в долях h) глубина подтопления ПСМ над коренными или относительным водоупором, ц, ц^*, С - статистический и динамический углы внутреннего трения, град, и сцепление, Па, рыхлообломочной породы, затопленной водой; б - угол наклона ПСМ, град; у (+), у(-) - сдвигающее и удерживающее напряжения, Па; g - ускорение свободного падения, м/с². Тогда

При решении этих уравнений относительно угла наклона при в=1 (полное затопление породы) и C=0, что отвечает экстремальным ситуациям (возникновение трещин, сейсмические воздействия), получим значение первого критического уклона:

Если иметь в виду, что обломочная порода уже каким-то образом приведена в движение, то следует определить минимальный угол наклона б₂, при котором порода еще будет двигаться. В этом случае в уравнении (6.5) статистические величины пористости е и угла внутреннего трения ц должны быть заменены динамическими е^* и ц^*. Таким образом, для толщи породы с данными свойствами определены критические углы наклона б₁ и б₂, разбивающие весь диапазон уклонов на три интервала, каждый из которых отвечает возможности проявления своего типа селевого процесса - транспортного, сдвигового и транспортно-сдвигового.

Транспортный селевой процесс. (б< б₂). Ливневые паводки и наносоводные потоки - «кровные родственники». Каждый паводок, если он по своим размерам превосходит определенную границу, связанную с его способностью сорвать русловую валунную самоотмостку и тем самым привести в массовое движение обломочный материал, сдвигающий русловое ложе, становится селевым. Транспортирование влекомых наносов - это движение обломочной породы за счет энергетических затрат потока водной суспензии, притекающей в русло с окружающих склонов. Элементарная мощность, которую следует затратить на передвижение расхода тведого материала, определяется уравнением

а элементарная потенциальная потенциальная мощность потока суспензии, т.е. все то, чем этот поток располагает в энергетическом плане,

где Q₀ - расход потока мутной воды (суспензии) плотностью г₀; G - расход влекомых наносов.

Не следует забывать, что лента аллювия или пролювия на наклонном ложе и сама способствует своему движению:

На поддержание этого движения расходуется определенная часть c₁ элементарной потенциальной мощности. Тогда выражение для расхода влекомых наносов при развитом транспортном селевом процессе будет иметь вид

Здесь c₁<1, Q_кр - критический расход. При анализе взаимодействия водного потока и аллювия важное значение приобретает понятие «критический расход», т. е. расход воды или суспензии, обеспечивающий сдвиг практически всех элементов ПСМ.

Сдвиговой селевой процесс (б > б₁). Обломочная порода заполняет ложбину, угол наклона которой превышает первый критический. При обводнении ПСМ в его толще возникает поток грунтовых вод, относительная глубина которого в в известной мере контролирует ситуацию. Возможность сдвига ПСМ, и следовательно, формирование грязевого или грязекаменного селя определяется переходом его величины в через ее критическое значение. К последнему приводит совместное решение уравнений (6.3) и (6.4) относительно в при у (+), у(-) :

Сравнение текущего и критического значений в позволяет оценить ситуацию, насколько реальна угроза развития сдвигового селевого процесса, возможность проявления которого отображается неравенством в > в_кр.

Проявления сдвигового селевого процесса многообразны. Местные природные условия - тип рельефа, характер почв и растительности, состав и свойства горных пород, особенности гидрографии - придают ему многие специфические черты.

В ложбинах и кулуарах, заполненных продуктами разрушения, поступающими с окружающих скальных или полускальных гряд и массивов, во время выдающегося ливня первая подвижка ПСМ обычно происходит в их верхней части, где мощность породы ниже, сама ложбина уже, уклон значительнее Сдвиговый селевой процесс часто захватывает уступы древних и современных морен. Формирование ПСМ здесь связано с протаиванием мерзлой моренной толщи под влиянием тепла, выделяемого стекающей водой. Непосредственной причиной возникновения грязекаменного потока чаще всего служат случайные измерения путей фильтрации воды с тающих ледников. Дополнительное силовое воздействие на протаявший ПСМ оказывает сам фильтрационный поток.

Многие горные районы, покрытые лугами лесами, обычно не относят к селеопасным, хотя имеются многочисленные примеры возникновения селевых потоков и в такой местности.

Обобщенная картина зарождения селей. Лето выдается дождливым. Сильные и моросящие дожди сменяют друг друга. Почва обильно напоена влагой. И вот в довершение всего на склоны гор обрушивается ливень. Грунтовая толща насыщенная, тяжелеет, особенно вдоль тальвегов, по низинам. И вдруг где-то там, в ее недрах, происходит то, что мы на бумаге изобразили неравенством в > в_кр. Неожиданно раздается утробный чавкающий звук, как бы глубокий вздох земли, и с этого момента события развертываются с головокружительной быстротой. Вздрагивает громадный участок склона - центральная часть широкой ложбины. Молниеносно прибегают зигзаги трещин. Чудится какое-то неестественное шевеление, и уже мелькают отдельные земляные блоки с нетронутой луговой поверхностью или кустами, или с уже падающими деревьями, верхушки которых вписывают замысловатые траектории. В следующий миг колышущаяся грунтовая масса, клочья трав, ветки и обломки древесных стволов. Еще мгновение и уже оползает и осыпается мокрая порода по свежим откосам вырванной в склоне хребта как бы дымящейся глубокой ниши. А внизу, непрерывно меняя очертания, несется вал грязевой плазмы, как кара небесная ворвавшийся в зеленую долину.

Своеобразен вариант, когда ПСМ сложен продуктами разрушения таких пород, как мергели или глинистые сланцы. В этом случае при увлажнении он приобретает пластические свойства. У основания крутых разрушенных склонов на дне ложбин с относительно небольшим уклоном (12 - 20?) в результате осыпания и обваливания горной породы, мелких оползней и селевых потоков постепенно нарастает мощность ПСМ, который может достигать десятков метров ширины и километровой длины. Если толща обломочной породы достигает определенных мощности и увлажнения, то в теле ПСМ начинается пластическая деформация. Скорость движения при этом невелика, сантиметры в час, но деформация приводит к разрыхлению породы. Это известный факт: рыхлая сыпучая среда при сдвиге уплотняется, а плотная, наоборот, разрыхляется.

В обоих вариантах достигается одна и та же пористость, которая в грунтоведении получила название критической. Если в это время выпадает сильный ливень, то деформация усиливается, на фронте ПСМ движение ускоряется и вдруг внезапно ПСМ начинает «изливаться». При этом фронт неподвижного ПСМ пятится назад, и вверх по «камнегрязехранилищу» бежит волна возмущения, а грязекаменная масса в виде селевого потока устремляется вниз по долине.

Расход излияния пластического ПСМ зависит от его мощности и ширины и приближенно может быть оценен формулой

где h и B - мощность и ширина ПСМ; c₂ - коэффициент, м^0,5/с, по велечине видимо близок к единице.

Транспортно-сдвиговой селевой процесс (б₁? б ? б₂). Этот процесс естественным образом занимает полагающееся ему место на иерархической лестнице селевых явлений, в основу которой положено соотношение степени активности воды и горной породы в селеобразовании. Ниже использованы следующие понятия и обозначения:

расстояние вдоль селевого вреза - x, м;

расстояние от входа во врез до начала очередного расчетного участка - x₀, м;

плотность вещества горной породы, слагающей ПСМ в селевом врезе, - с, кг/м³;

пористость рыхлообломочных отложений ПСМ - е;

объемная влажность рыхлообломочных отложений ПСМ - ж=и/(1- е) (отношение объемной влажности к объему твердого вещества);

расход воды, поступившей в селевой врез, - Q, м³/с;

критическое значение расхода воды, превышение которого влечет за собой развитие транспортно-сдвигового селевого процесса - Q_кр, м³/с;

расход твердой составляющей селевого потока - G, м³/с;

отношение расхода твердого вещества к расходу воды - N =G/Q;

расход селевого потока, м³/с:

плотность селевого потока, кг/ м³:

плотность селевой массы на пределе текучести - г_пт, кг/ м³;

элементарная потенциальная мощность потока - его способность произвести определенную работу на единицу пути за единицу времени:

выражение, обратное значению коэффициента устойчивости ПСМ, затопленного водой:

коэффициент текучести селевой массы

В предположении, что приращение расхода твердого материала, вовлекаемого в селевой поток по мере его продвижения вдоль селевого вреза, пропорционально трем последним величинам, получим

Эмпирический коэффициент c₃=(3?5) 10^-6 м•с²/кг.

Это уравнение не может быть решено относительно N в явной форме, поэтому приходится прибегать к процедуре последовательного приближения.

Таким образом, выше были постулированы возможности потока обогащаться твердым материалом по пути своего следования. Очевидно, что эти возможности связаны с податливостью затопленной водой рыхлообломочной породы на сдвиг (отображено величиной K) и с мощностью, которой располагает поток в каждой точке своего пути (n). Коэффициент K как величина обратная коэффициенту устойчивости определяется отношением у (+) к у(-) при в=1 и может изменится от 0 до 1 (при K > 1 сдвиг породы происходит и без помощи потока).

С увеличением плотности, а следовательно, снижением «текучести» потока его размывающая способность падает, что и достигается введением коэффициента R. Он изменяется от 0, когда плотность достигает предела текучести, до 1 при г=с₀ (водный поток).

Судьба водного потока, попавшего а селевой очаг, в сильнейшей мере зависит от влажности ПСМ. Возможны три характерных случая: ж₁=0 (сухой ПСМ), ж₂= ж_пт (ПСМ увлажнен до предела текучести) и ж₃=е/(1-е) (пористость ПСМ заполнена водой). Случай 1 отвечает постепенному затуханию, 2 - стабильности и 3 - лавинообразному развитию процесса, которое может ограничить только резкое уменьшение уклона или отсутствие ПСМ.

Исключительно по своему воздействию на активность транспортно-сдвигового селевого процесса совместное влияние уклона и предварительного увлажнения ПСМ. Моделирование селевого потока на выходе из селевого очага или зоне транзита позволяет получить «гладкий» гидрограф, соответствующий характеру гидрографа водного потока на входе в селевой очаг. В действительности в селевом очаге и особенно транзитном русле господствуют механизмы (борьба нелинейности с дисперсией), приводящие к возникновению цуга солитонов - серии катящихся волн и валов, выстроившихся в убывающем порядке. Теория солитонов, развитая на базе уравнения Кортевега - де Фриза, позволяет получать аналитические решения и преобразовывать «гладкий» гидрограф в «солитонный». Что касается оценки максимального расхода передового вала, то это достигается простым умножением «гладкого» максимума на коэффициент, в первом приближении равный 2,5.

Грязевые и грязекаменные потоки, поступающие из селевых очагов в долины с углами наклона б < б₂, тормозятся и разгружаются.

2.4 Движение селевых потоков высокой плотности

Существующие методы расчета скоростей движения селевых потоков обычно не учитывают свойства и особенности селевой массы, а они могут быть чрезвычайно разнообразными.

Ниже целесообразно использовать следующие понятия:

1 обломочный материал (синонимы: сыпучее твердое тело, гранулированная среда) - смесь глыб, валунов (камней), гальки (щебня), гравия (дресвы), песка в любых сочетаниях;

2 пластичная плазма - смесь воды и мелкозема (пыль, глина, коллоиды, т. е. частицы размером менее 0,1 мм) в диапазоне плотности между пределами пластичности и текучести;

3 структурная плазма - смесь воды и мелкозема в диапазоне плотности ниже предела текучести и сохранения структуры;

4 суспензия - смесь воды и мелкозема в диапазоне плотности ниже предела сохранения структуры.

В качестве параметров селевой массы полезными являются:

1 объемная доля плазмы или суспензии в селевой массе;

2 плотность обломочной массы на пределах подвижности и существования непосредственных контактов между обломками;

3 плотность плазмы на пределах пластичности, текучести, сохранения структуры;

4 коэффициент сопротивления относительному перемещению элементов обломочного материала («вязкости» гранулированной среды) на пределах подвижности и существования непосредственных контактов между обломками;

5 коэффициенты вязкости воды и плазмы на пределах пластичности, текучести и сохранения структуры;

6 предельное напряжение сдвига на пределах пластичности, текучести и сохранения структуры;

7 коэффициенты сопротивления перемешиванию обломочной массы на пределах подвижности и существования непосредственных контактов между обломками, плазмы на пределах пластичности, текучести и сохранения структуры.

Примем проходящий вид реологического уравнения (соотношения между напряжением и скоростью деформации), среди коэффициентов которого фигурируют следующие характеристики селевой массы: плотность г_с , динамический угол внутреннего трения ц^*, коэффициенты динамической вязкости м и сопротивления перемешивания в:

где g - ускорение свободного падения; б - угол наклона русла; y - расстояние от дна; H - глубина потока; х - скорость течения.

При ламинарном режиме течения основную роль играет первый член правой части уравнения (6.6), при турбулентном - второй. В реальной грязекаменной массе в зависимости от уклона, глубины и скорости течения возможны оба режима, поэтому есть смысл отказаться от априорного выбора частной модели.

Решение уравнения (6.6) относительно градиента скорости дает

Для снижения громоздкости записей здесь и ниже использованы обозначения:

Из простого дифференциального уравнения (6.7) получены следующие выражения для скоростей течения грязевого или грязекаменного потока - на глубине y и максимальной (поверхностной):

Сопротивление движению грязекаменного потока оказывает внутренне трение. Пол этим следует понимать противодействие среды, возникающее при относительном перемещении отдельных элементов селевой массы. Доминирующую роль здесь играют деформации, связанные с относительным проскальзыванием и соударением камней разного размера. В движущемся потоке, особенно в голове его, камни и глыбы часто образуют замкнутые группы. Происходит как бы непрерывная переупаковка камней и обломков. В реологическом уравнении, так же как и в выражениях для скоростей течения, три показателя отображают различные стороны проявления внутреннего трения в селевой массе - коэффициенты динамической вязкости м, сопротивления перемешиванию в и угол внутреннего трения ц.

Коэффициент вязкости отображает трение при скольжении отдельных слоев и элементов селевой массы друг другу. Чем крупнее включения, тем сильнее они взаимодействуют и проникают в соседние слои и тем больше энергии рассеивают. Понятие вязкости привыкли относить к жидкостям. В нашем случае взаимодействие происходит уже не между молекулами а гранулами и обломками. Единственным условием приемлемости такого подхода, кроме некоторой условности, выступает необходимость рассматривать достаточно большую массу обломочного материала. Так как понятие «вязкость» статистично по своей природе.

Коэффициент сопротивления перемешиванию представляет собой среднее относительное расстояние, на которое перемещаются элементы селевой массы а направлении, перпендикулярном продольной оси селевого потока, прежде чем вовлечься в общее продольное движение. Для водного потока - это относительный «путь смещения», т. е. среднее расстояние поперек потока 9 в долях от его глубины), на которое успевают переместиться элементарные вихри до того, как исчезнуть.

Перечисленные параметры селевой массы должны быть определены, обобщены и систематизированы в зависимости от гранулометрических и петрографических свойств обломков, наличия и типа глинистых минералов и степени разжижения рыхлообломочной горной породы водой, т. е. от плотности и свойств селевой массы[2].

2.4.1 Лахары

Особое место среди селей занимают потоки вулканического происхождения, получившие даже специальное наименование «лахары». Размеры и мощность лахаров могут быть грандиозными, в движении могут участвовать десятки и сотни миллионов кубических метров грязевой и грязекаменной массы. Селевые потоки на склонах вулканических конусов формируются при излиянии кратерных озер, при стремительном таянии снега и льда во время извержений, при переходе пирокластических потоков, состоящих из очень подвижной смеси обломочного материала и раскаленных газов, в лахары, когда существуют условия обводнения (катастрофическое снеготаяние, реки), при выпадении интенсивных ливней, особенно сразу после извержения, а вызванные им лахары[3].

Глава 3. География селеопасных районов

География селей - география гор. Формула «где горы - там и селевые потоки» несомненно, правильна. Но разнообразие горных ландшафтов безразмерно. Столь же безразмерна и пестрота селепроявления на лике Земли. Однако характер общих закономерностей распространения от главных определяющих факторов очевиден.

Рельеф - это тот плацдарм, где развертываются селевые процессы. Обычно чем выше горы, тем большего от них может ожидать гидролог. Но высота сама по себе еще ни о чем не говорит. Северный Тибет, Восточный Памир, Альтиплано в Боливии - плоскогорья, поднятые на высоту 4 - 5 тыс. м, не отмечены выдающейся селевой деятельностью. Важны контрасты, молодость рельефа, взлет склонов и вершин над узкими и глубокими долинами. И если говорить о карте рельефа, наилучшим образом информирующей о селеопасности территории, то это будет карта уклонов, но не гипсометрическая. При прочих равных условиях хребты окраин горных сооружений, первыми принимающие на себя удар влагоносных воздушных масс, более селеактивны.

Горная порода - это материал, из которого природа лепит сели. Скальные и рыхлые породы слагают поверхность Земли. Очевидно, что их свойства уже сказались в облике рельефа. Рыхлые породы в той или иной мере подготовлены к селеформированию. Что же касается скальных пород, то нас в первую очередь должна интересовать податливость к выветриванию, то есть способность превращаться в свою рыхлую разновидность.

Вода - это ливни, прорвавшиеся озера и внутриледниковые водоемы. Часто именно отсутствие воды лимитирует селепроявления.

Многочисленные скальные селевые очаги на южном склоне Рушанского хребта, легко обозреваемые с Памирского тракта, вследствие слабых ливневых возможностей района десятки и сотни лет ждут своего часа. Конечно, рано или поздно долготерпение их будет вознаграждено, но когда это случится, неизвестно.

На земном шаре много сухих мест, где дожди выпадают крайне редко. Это, например, Сахара, пустыня контрастов и парадоксов, отмеченная редкими дождями и в то же время удивительной их силой. Ливневые воды на короткое время переполняют сухие русла, имеющие здесь специфическое наименование «вади», и одна из главных опасностей, подстерегающих вас в Сахаре, - это опасность утонуть.