ЛАВИНЫ

Введение

Лавиной называется быстрое движение крупной массы снега вниз по склону. Существенными факторами для зарождения лавин являются глубокий снег и крутые склоны, однако благодаря огромному многообразию условий их формирования (состояния снега и снежной поверхности) формы и размеры лавин существенно различаются. В числе книг, всесторонне рассматривающих условия формирования и схода лавин, работы Перла и Мартинелли , а также Фрейзера .

Зарождение лавин

Лавина возникает тогда, когда нагрузка снега на склоне превышает его прочность. В снежном покрове, лежащем на склоне, cоставляющая силы тяжести, действующая параллельно склону, вызывает напряжение сдвига, в то время как составляющая, действующая перпендикулярно склону, вызывает компрессионное сжатие (рис. 11.1).

Рис. 11.1.Напряжения в снежном покрове, обусловленные его весом. т — касательное напряжение, параллельное склону на любой глубине Н внутри снежного покрова (т=pgH sin ß); в — нормальное напряжение, перпендикулярное склону на любой глубине Н (в=pgH cos ß); p - средняя плотность снега на глубине Н; g — ускорение свободного падения; ß - угол наклона склона.

Рис. 11.2. Диаграмма деформаций пои сползании и скольжении снега.

Рис. 11.3. Распределение напряжений при деформациях сползания и скольжения снега. 1 — сжатие, 2 — напряжения отсутствуют, 3 — растяжение.

Под влиянием собственной нагрузки снег постоянно деформируется, что приводит к оседанию, сползанию и соскальзыванию (рис. 11.2). В результате в местах, где имеются препятствия в виде скал, деревьев, а также плоские участки возникают дополнительные растягивающие и компрессионные нагрузки в снежном покрове возрастают за счет выпадения спежных осадков или аккумуляции мстелевого снега, а прочность уменьшается чаще всего в результате повышения температуры, После того как снег оторвался в одной точке, напряжения возникают в непосредственно примыкающих к ней зонах, которые в свою очередь становятся перегруженными и отрываются, причем разрыв распространяется широко по склону. Взаимосвязь между нагрузкой и прочностью весьма сложна, так как снег слоист и вязок, его механические свойства зависят от температуры, склоны разнообразны, а глубина снега неодинакова. Многочисленность этих факторов не позволяет провести строгий теоретический анализ стабильности данного снежного покрова. Поэтому прогнозы зарождения лавин составляются на эмпирической и интуитивной основе.

Движение

Оторвавшаяся масса снега обычно быстро ускоряется на крутом склоне и во время своего движения вниз увлекает дополнительные массы снега, лежащие на ее пути. Характер движения зависит от типа снега и подстилающей поверхности. В начальной стадии снег скользит и катится, а с увеличением скорости движение становится турбулентным. Крупные блоки разбиваются, превращаясь в массу окатанного и распыленного материала. Если снег сухой, мельчайшие частички, смешиваясь с воздухом, образуют снежную пыль. Снежную массу, низвергающуюся по поверхности грунта, называют текучей лавиной, а массу, переносимую турбулентным воздушным потоком,— пылевой лавиной. Часто оба вида лавин наблюдаются одновременно. Наличие резкого уступа склона может быть причиной того, что весь снег смешается с воздухом, образуя пылевую лавину. На крутом склоне лавина может иметь высокую скорость и оказывать огромное давление на препятствия, возникающие на ее пути, обладая, таким образом, большой разрушительной силой. Когда склон становится более пологим, движение лавины замедляется и в конце концов она останавливается.

Лавиносбор

Лавиносбор представляет собой специфическую зону, по которой движется масса снега. В общем ее можно разделить на зону зарождения, расположенную в верхней части склона, где происходит первоначальный отрыв, зону отложения в подножьях склона, где лавина замедляется и останавливается, а также зону транзита, которая соединяет зону зарождения и зону отложения. В зоне транзита скорость лавины может возрастать, сохраняться постоянной или уменьшаться, однако ее масса остается более или менее одинаковой. Провести четкую границу между этими зонами часто невозможно. Минимальный уклон, необходимый для того, чтобы вызвать лавину и обеспечить ее движение, составляет около 25° (Известны случаи схода лавин при меньшем наклоне склона — до 16°— 17°) . Зона отложения начинается там, где угол наклона склона оказывается меньше этого минимального значения, и обычно ограничена перегибом склона.

Лавинная опасность

Глубокий снег и крутые склоны, необходимые для зарождения и распространения лавин, существуют в горных районах всего мира. Несмотря на то что тысячи лавин сходят каждую зиму, большинство их остается незамеченными. Лавинная опасность возникает всякий раз, когда лавина оказывается в поле деятельности человека. Риск лавинной опасности существует с тех пор, как горы стали обитаемыми, а в последние годы в связи с расширением рекреационного использования гор и интенсификацией транспорта, он увеличился.

Защита от лавин

Наиболее эффективным методом уменьшения ущерба, приносимого лавинами, является выбор безопасных мест для строительства сооружений, а также хозяйственной и рекреационной деятельности. Если не удается избежать лавиносборов, то следует предпринять временные меры безопасности или контролировать саму лавину. Мероприятия по контролю лавин, которые состоят в воздействии на снежный покров на склоне или на движение лавин, можно разделить на две категории: мероприятия по изменению подстилающей поверхности и мероприятия по изменению и стабилизации снега. Информация, касающаяся лавин и методов уменьшения их разрушительного воздействия, обрабатывается в нескольких странах. Наиболее выдающийся и самый старый центр исследования лавин --- Федеральный институт по изучению снега и лавин в Давосе, Швейцария. В Канаде Отдел строительных исследований Национального исследовательского совета, а также Отдел гляциологии и Директорат внутренних вод Департаментов окружающей среды и рыболовства Канады собирают информацию о формировании и динамике лавин и исследуют возможность принятия мер в местных условиях. В Британской Колумбии контроль лавин и меры по обеспечению безопасности на автомагистралях и в зонах лыжного спорта национальных парков осуществляются Департаментом автомобильных дорог, а в многочисленных центрах лыжной подготовки — некоторыми горно-рудными компаниями.

ФОРМИРОВАНИЕ ЛАВИН

Для формирования лавин имеют большое значение слоистость снежного покрова и зависимость прочности снега от его температуры. Поэтому измерения характеристик снежного покрова, включающие измерение температуры, очень важны для оценки его стабильности и возможности образования лавин.

Влияние метаморфизма на свойства снежного покрова

При термических условиях, характерных для горных районов, структура снежного покрова претерпевает ряд изменений, т. е. снег подвержен метаморфизму. Вновь отложенные снежные кристаллы — обычно тонковетвистые, звездообразные дендриты — вначале подвергаются деструктивному метаморфизму, в ходе которого возникает тенденция к формированию более округлых кристаллов. Со временем уменьшается средний размер зерен, тогда как плотность снежного покрова растет, что приводит к видимому проседанию снега. Процесс происходит при температуре значительно ниже точки плавления, однако наиболее интенсивен при температуре, близкой к 0°С. В ходе метаморфизма вода в виде пара проникает в промежутки между отдельными кристаллами снега, образуя ледяные перемычки. В результате этого процесса спекания образуются прочные связи между зернами, и конечным продуктом деструктивного метаморфизма является плотный, прочный при отрицательной температуре снег.
      При резком перепаде температур в сравнительно тонком слое снежного покрова снег подвергается конструктивному метаморфизму, который характеризуется ростом отдельных кристаллов, приобретающих угловатую, фасетчатую форму. Конечным продуктом этого процесса является глубинная изморозь. Большие градиенты температуры обусловливают возникновение свободно расположенных кристаллов и очень слабое спекание; в результате происходит уменьшение прочности, т. е. ослабление снежного покрова. Резкие градиенты температуры наблюдаются обычно в маломощном снежном покрове при низкой температуре, а также у поверхности глубокого снега вследствие ее охлаждения за счет радиационных потерь тепла. В этом случае поверхность покрывается фасетчатыми зернами, для которых характерно слабое сцепление.
      Другой важный вид снега, не являющийся продуктом метаморфизма,— поверхностный иней, который образуется при осаждении водяных паров из атмосферы на холодный снег преимущественно в холодные ясные ночи. Он состоит из игольчатых кристаллов в слоях толщиной в несколько миллиметров; иногда толщина слоев достигает 50 мм. Характеристики поверхностного инея сходны с характеристиками глубинной изморози; так же как и последняя, он отличается малой прочностью.
       Если температурный градиент, необходимый для развития метаморфизма, изменяется вследствие повышения температуры или увеличения толщины слоя снега, глубинная изморозь, фасеточные зерна на поверхности и поверхностный иней подвергаются деструктивному метаморфизму.
       Когда флуктуации температуры воздуха вызывают повторное таяние и замерзание, формируются крупные зерна неправильной формы, образующие зернистый снег. Замерзая, такой снег образует твердую корку.
       Обычно слои внутри мощного снежного покрова хорошо различимы, так как они соответствуют разным фазам развития метаморфизма. Каждому слою присущи свои механические и физические свойства.  

Прочность снега

Подобно другим материалам, снег обладает прочностными свойствами, которые могут быть исследованы путем измерения сил, необходимых для того, чтобы вызвать разрыв. Для зарождения лавин имеют значение прочность на сдвиг и прочность на разрыв. Трудность подобных исследований заключается в том, что хрупкость и малая плотность снега требуют, чтобы измерения проводились с особой тщательностью и мастерством. Кроме того, прочность снега зависит от скорости действия нагрузки.
      В связи с указанными причинами часто в качестве показателя прочности используют твердость, которая определяется как сопротивляемость снега проникновению в него инородного тела и связана с прочностью на сдвиг и разрыв, а также с компрессионными свойствами.
      Для измерения прочности на сдвиг и твердости снега разработаны полевые методы. Чтобы определить прочность на сдвиг, рамка площадью не менее 0,01 м2 погружается в снег и быстро загружается до тех пор, пока не происходит отрыв, нагрузка измеряется пружинными весами. Твердость определяется при помощи пенетрометров.
       В зоне зарождения лавины измерения прочности не производятся, так как эта область труднодоступна. Более того, поскольку прочность в пределах зоны зарождения весьма изменчива, трудно получить ее минимальное значение. Поэтому единственным показателем прочности служат данные, получаемые на выбранной в безопасном месте площадке.
       Прочность снега зависит от его температуры и плотности, а также от типа зерен и их сцепления. Первостепенное значение имеет сильная зависимость прочности от температуры; например, сопротивление сдвигу уменьшается, когда температура приближается к 0'С. Когда снег начинает таять и появляется жидкая вода, прочность его уменьшается еще больше.
       В то же время повышение температуры ускоряет процесс деструктивного метаморфизма, за счет которого сопротивление сдвигу может возрасти. Однако если температура растет быстро, то роль этого эффекта уменьшается, так что снег в итоге становится менее прочным. Если же температура растет медленно, то в результате метаморфизма снег приобретает высокую прочность, которая, вероятно, не уменьшается даже при 0'С. Эти противодействующие тенденции затрудняют прогнозирование времени отрыва лавины.

Сползание снега

Нормальное напряжение и напряжение сдвига в снежном покрове, лежащем на склоне, вызывают постоянные деформации, обусловленные вязкостью снега. Однако скольжение и сползание происходят одновременно и часто нельзя разграничить эти два типа движения.
      Микрорельеф поверхности г грунта, растительность и уклон оказывают наибольшее влияние на процессы сползания и скольжения. Высокая скорость скольжения наблюдается на гладкой крутой поверхности, например на крутых травянистых склонах. Скорости сползания и скольжения также возрастают с повышением темния лавин. пературы снега, его толщины и с появлением в нем жидкой воды.

Рис. 11.4.Типичные места зарождения лавин.
       Таким образом, скорость меняется там, где происходит изменение особенностей поверхности грунта — например в зоне перехода от гладких скал к валунам, в местах перегиба склона, там, где меняется толшина снега (в частности, при переходе от тонкого снежного покрова к метелевым надувам). Изменения скорости сползания на склоне вызывают изменение напряжений растяжения и сжатия в снегу (см. рис. 11.3). Важно определить те зоны, где напряжения велики, так как линии отрыва и места зарождения лавин находятся именно в таких зонах (рис. 11.4).

Снежные обвалы на склонах

Двум типам обвалов снега соответствуют два основных вида лавин: лавины из снежной доски, характеризующиеся внутренним сцеплением снега, и лавины из рыхлого снега, в которых внутреннее сцепление настолько незначительно, что снег ведет себя как сухой песок.
      Не всегда можно точно определить вид лавины. Лавина сначала может представлять собой рыхлый снег, движущийся по поверхности; затем этот снег приводит в движение другие горизонты снежного покрова, в результате чего ниже по склону формируется лавина из снежной доски.
      Лавина из снежной доски. Развивается в том случае, когда относительно прочный слой снега перекрывает менее прочный слой толщиной иногда всего в несколько миллиметров. Ослабленный слой может образоваться на поверхности снежного покрова в результате метаморфизма (рыхлые ограненные зерна), образования поверхностного инея или отложения свежего снега, имеющего кристаллическую структуру, отличную от дендритовой, и последующего погребения снегопадами. Такой слой может также развиваться внутри снежного покрова, например, когда глубинная изморозь или водонасыщенный снег перекрываются коркой плотного снега. Четкая неровная ломаная линия отрыва представляет собой наиболее характерную особенность лавины из снежной доски (рис. 11.5).

Относительно твердая снежная доска, которая при отрыве образует лавину, состоит из отложений одного или несколь,ких снегопадов и имеет толщину от 10 см до 3 м. Конкретный механизм отрыва зависит от прочностных свойств снега и распределения в нем напряжений. В простейшем случае отрыв начинается, когда касательное напряжение t в одной точке превышает прочность на сдвиг ослабленного слоя. Величина t рассчитывается по формуле

Где р — плотность снежного покрова, g — ускорение свободного падения, Н — толщина снега над ослабленным слоем, а а — угол наклона ослабленного слоя (см. рис. 11.1). Таким образом, отрыв может произойти в результате увеличения касательных напряжений, уменьшения прочности или комбинации этих двух факторов.
     Наиболее характерной причиной увеличения напряжений, ведущей к отрыву, служит добавочная нагрузка на систему вследствие аккумуляции снежных осадков или метелевого переноса. Таким образом, большинство лавин возникает в период снегопадов и (или) при сильных ветрах. Другими факторами, вызывающими возрастание напряжений и отрыв, могут оказаться вес лыжников, удары взрывной волны, вибрация, вызываемая транспортом. Лыжники, вызывающие обвал, нередко сами становятся его жертвами. Повышение температуры снега вследствие потепления воздуха или увеличения интенсивности солнечной радиации обычно приводит к уменьшению прочности ослабленного слоя. Конструктивный метаморфизм также может привести к разуплотнению снега и его последующему обвалу.
      После того как снег оторвался в одном месте, нагрузки быстро распространяются на примыкающие области, что приводит к отрыву снега на обширной площади. Невозможно предсказать, где на данном склоне произойдет отрыв — в верхней или в нижней его части. Известно множество случаев, когда лыжники, пересекавшие нижнюю часть склона, были причиной образования лавины из снежной доски выше по склону.
      Возможен и другой процесс, который начинается с отрыва, вызванного растяжением в местах возрастания напряжений — у скал, перегибов склонов (см. рис. 11.4) или на следах, оставленных лыжниками, и продолжается в ослабленном слое у грунта.
      Кроме того, отрыв снежной доски может произойти в результате просадки рыхлого слоя, подстилающего доску. После того как доска теряет опору, перпендикулярную склону, ее отрыв может быть обусловлен увеличением напряжений изгиба.
      Вероятно, лавины из снежной доски возникают вследствие взаимодействия разных механизмов отрыва, однако независимо от механизма действующие на снег силы превышают прочность на сдвиг подстилающего доску ослабленного слоя.
      Лавины из рыхлого снега. Состоят из снега, лишенного внутреннего сцепления, и похожи на оползни в сухих песчаных грунтах. 'Движение начинается в точке на поверхности, например, от небольшого комка снега, упавшего с дерева или вылетевшего изпод лыжника. Деформации распространяются вниз и в сторону, вовлекая в движение все новые массы снега. Лавины из рыхлого снега могут наблюдаться как в случае мокрого, так и в случае сухого снега. Свежевыпавший сухой снег остается устойчивым на крутых склонах, так как составляющие его тонкие дендритовые кристаллы хорошо сцеплены между собой. Однако в результате метаморфизма это внутреннее сцепление нарушается. В начальную фазу деструктивного метаморфизма кристаллы теряют острые окончания; спекание зерен происходит не так быстро, как процесс округления кристаллов. Таким образом, внутреннее сцепление в сухом снеге может постепенно уменьшаться. Угол естественного откоса снега колеблется между 30 и 40', поэтому на более крутых склонах снег неустойчив. В целом сухие рыхлые лавины невелики, так как содержат лишь снег с поверхности. Чаще всего они сходят через несколько дней после снегопада.
     Во время таяния, когда сцепление между крупными кристаллами нарушается, снежный покров становится мокрым и рыхлым. Чаще это происходит с зернистым снегом и глубинной изморозью весной. В противоположность сухим снежным лавинам мокрые могут быть очень крупными и включать глубинные слои снега.

Зона зарождения лавин

Для формирования лавин наиболее важны две характеристики местности — крутизна склона и его ориентация по отношению к направлению ветра. Чаще всего лавины отмечаются на склонах крутизной 30—45°; на склонах крутизной более б0° лавин в общем нет, так как небольшое количество снега, попадающее на эти склоны во время снегопадов, на них не задерживается. Нечасты лавины и на склонах крутизной менее 25°, здесь они наблюдаются только при сильной неустойчивости снежного покрова или когда обвалы распространяются с более крутых склонов, расположенных выше.
      Лавины чаще наблюдаются на подветренных склонах, так как эти склоны благоприятны для отложения метелевого снега, в результате которого увеличивается нагрузка.
      Экспозиция склона мало влияет на частоту схода лавин, но ее необходимо учитывать при ежедневной оценке лавинной опасности. В северном полушарии склоны, окрашенные на север и на восток, опаснее всего в период с декабря по март, когда, вероятно, в связи с уменьшением количества приходящей солнечной радиации здесь развиты неустойчивые слои поверхностного инея и глубинной изморози. Однако весной, когда количество солнечной радиации увеличивается, наблюдается ослабление и таяние снежного покрова, особенно на склонах, обращенных к югу и востоку. Совокупность природных условий, необходимых для формирования лавин Сложная система природных условий, необходимых для формирования лавин, была обобщена Рабочей группой по разработке классификации лавин Международной ассоциации гидрологических наук (табл. 11.1). Из таблицы видно, насколько сложен прогноз движения лавин в данной местности при данных условиях погоды и состояния снежного покрова: некоторые факторы обусловливают неустойчивость снежного покрова, в то время как другие — его стабильность.
       Предпринимались попытки анализа стабильности снежного покрова на склоне и прогноза его отрыва. Создание теоретических моделей способствует пониманию механизма обрушения и качественной оценки причин схода лавин. При разработке этих моделей принимаются определенные значения ряда параметров, таких как плотность снега, его пластичность и прочность. На практике, однако, очень трудно получить непрерывный ряд измерений параметров снега в динамике и предсказать стабильность снежного покрова в нужное время.

Далее: о движении лавин ---- >
Оглавление