Способ определения запаса устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне

Изобретение относится к области лавиноведения, а именно к способам проведения регулярного мониторинга метрических, объемно-массовых и механических параметров снежного покрова для определения состояния его устойчивости на склоне и разработки на основе этой информации локальных прогнозов лавинной опасности в целях предупредительного спуска снежных лавин. Согласно предлагаемому способу на лавиноопасном склоне осуществляют закладку шурфа в безопасном и репрезентативном для контролируемого лавиносбора месте. Затем определяют угол склона (α) в точке закладки шурфа и проводят послойные измерения объемного веса (γi), толщины слоя (hi) и мгновенного предела прочности (σi) для каждого i-того слоя снега в шурфе. После этого определяют давление вышележащих слоев (m) на каждый i-й слой по формуле , после чего определяют запас устойчивости снежного покрова (ni) на лавиноопасном склоне по формуле . При определении мгновенного предела прочности снега (σi), предварительно, с помощью призматического снегозаборника, снабженного круглым отверстием в верхней плоскости, из каждого i-того слоя снежного шурфа вырезают образец снега. Затем в отверстие снегозаборника, перпендикулярно верхней ее плоскости устанавливают цилиндрическую обойму, которую, вращая вокруг оси, внедряют в полость снегозаборника со снегом, продвигая ее вплоть до нижнего его основания. Затем в цилиндрическую обойму устанавливают нагрузочный диск и осуществляют одноосное импульсное сжатие образца в обойме до хрупкого его разрушения. При этом измеряют усилие разрушения образца (Pi) и мгновенный предел прочности снега (σi) для каждого i-того слоя. Затем выявляют слой снега в шурфе, с наименьшим запасом устойчивости, по которому судят об устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне. Технический результат - повышение точности определения запаса устойчивости снежного покрова. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области лавиноведения, а именно к способам проведения регулярного мониторинга метрических, объемно-массовых и механических параметров снежного покрова для определения состояния его устойчивости на склоне и разработки на основе этой информации локальных прогнозов лавинной опасности в целях предупредительного спуска снежных лавин.

Составной частью Российской технологии активных воздействий на снеголавинные процессы является прогноз лавинной опасности, основанноый на концепции просадочного механизма нарушения устойчивости снежного покрова на склонах гор [1].

В соответствии с данной концепцией предполагается, что под действием давления вышележащих слоев один из наименее прочных нижерасположенных слоев претерпевает хрупкое разрушение, снежный пласт проседает и обламывается по контуру, форма и протяженность которого определяются рельефом (морфометрией) поверхности склона.

Концепция просадочного механизма лавинообразования предусматривает необходимость проведения регулярного мониторинга метрических, объемно-массовых и механических параметров снежного покрова для определения состояния его устойчивости на склоне и разработки на основе этой информации локальных прогнозов лавинной опасности в целях предупредительного спуска снежных лавин.

Для определения состояния устойчивости снежного покрова на склоне достаточно знать мгновенный предел прочности σi на одноосное сжатие для каждого слоя в шурфе, а также давление, оказываемое на i-й слой выжележащими слоями (P). Тогда несложно определить запас устойчивости снежного покрова на склоне (n) по формуле

,

где , а m - количество слоев, лежащих выше рассматриваемого i-го слоя.

Если нагрузку Р можно сравнительно легко и достаточно точно определить по измерениям γi, hi, и α c помощью простейшего инструментария, то определение σi в полевых условиях связано с рядом трудно-устранимых сложностей, главной из которых является сильная зависимость механических свойств снега от характера и скорости его нагружения [2, 3].

Известен способ определения мгновенного предела прочности σi на одноосное сжатие для каждого слоя в шурфе, когда с помощью твердомера (пенетрометров) ударного типа [4], снабженного тензодатчиком и коническим наконечником, который выбрасывается сжатой пружиной из ствола и проникает в снежный слой на глубину до 25 мм. При этом электронным блоком фиксируется электрический сигнал от тензодатчика, и по величине этого сигнала по паспортным данным прибора определяют предел прочности снега.

Недостатком известного способа является то, что он, в принципе, не позволяет определить мгновенный предел прочности снега, при его одноосном сжатии без возможности бокового расширения. А именно такое сжатие приводит к просадке снежной толщи на склоне.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ косвенного определения предела прочности снега σi, по измерениям среднего размера di частиц и γi снега по номограмме, построенной на основе массовых измерений прочности снега на сжатие с помощью пружинного нажимного динамометра и синхронных измерений di и γi того же снега [5].

В соответствии с известным способом нагрузочная площадка динамометра в форме квадрата со сторонами 10×10 см устанавливается на поверхность снега и нажатием на ручку динамометра вдавливается в снег. При хрупком разрушении ледяного остова снега, стрелка динамометра фиксирует приложенную силу давления , и предел прочности снега σ определяется по формуле:

,

где - сила давления в кг, килограммы переводились в граммы и размерность σ получалась в г/см2, a S=100 см2 - площадь нагрузочной площадки.

К недостаткам известного способа можно отнести то, что при определении σ не учитывается сопротивление снега боковому срезу, что снижает точность измерения. Кроме того, не возможно вручную создавать одинаковые условия нагружения (скорость, строгую перпендикулярность вектора силы давления на поверхность снега). Невозможно также точно определить средний размер di частиц снега в репрезентативном по объему образце снега по миллиметровой палетке «на глаз», так как после разрушения образца образуется множество частиц в широчайшем размерном диапазоне (от пылеватых частиц до частиц с размерами в несколько мм). Кроме того, степень увлажненности в известном способе оценивается не количественно, а качественно (приближенно). В результате указанных недостатков погрешность определения может составлять не менее 20%.

Техническим результатом заявленного способа является повышение точности определения запаса устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне путем исключения указанных выше недостатков.

Технический результат достигается тем, что в известном способе определения запаса устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне путем закладки шурфа в безопасном и репрезентативном для контролируемого лавиносбора месте, определение угла склона (α) в точке закладки шурфа, проведение послойных измерений объемного веса слоев снега (γi), толщины слоя (hi), мгновенного предела прочности (σi) каждого i-го слоя и определение давления вышележащих слоев (m) на каждый i-й слой , с последующим определением запаса устойчивости снежного покрова (ni) на лавиноопасном склоне по формуле

,

согласно предлагаемому способу, при определении мгновенного предела прочности снега (σi), предварительно, с помощью призматического снегозаборника, снабженного круглым отверстием в верхней плоскости, из каждого i-го слоя снежного покрова в шурфе вырезают образец снега, после чего в отверстие снегозаборника, перпендикулярно верхней ее плоскости устанавливают цилиндрическую обойму, которую, вращая вокруг оси, внедряют в полость снегозаборника со снегом, продвигая ее вплоть до нижнего его основания, затем в цилиндрическую обойму устанавливают нагрузочный диск и осуществляют одноосное импульсное сжатие образца в обойме до хрупкого его разрушения, при этом измеряют усилие разрушения образца (P) и мгновенный предел прочности снега (σi) для каждого i-го слоя, после чего выявляют слой снега в шурфе, с наименьшим запасом устойчивости, по которому судят об устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне.

Технический результат достигается и тем, что при одноосном импульсном сжатии образца снега в обойме, между образцом снега и нагрузочным диском устанавливают упругую прокладку, выполненную, например, из холодоустойчивого полиуретана.

Технический результат достигается также и тем, что одноосное импульсное сжатие образца снега в обойме осуществляют путем увеличения силовой нагрузки от нуля до некоторого критического значения, при котором происходит хрупкое его разрушение, при этом время нагружения образца не превышает 0,2 секунды, с целью исключения влияния релаксации напряжений в структуре снега на результат измерения.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, включает призматический снегозаборник 1, для отбора образцов снега 2 из шурфа, имеющего в верхней плоскости круглое отверстие 3, куда заключена съемная центрирующая втулка 4. В центрирующую втулку 4 установлена тонкостенная обойма 5, конец которой сточен под конус с наружным углом скоса, составляющим 15-30°. В обойме 5 установлен нагрузочный диск 6, диаметр которого соответствует внутреннему диаметру обоймы 5. Над нагрузочным диском 6 размещен шток 7, над которым размещен ударник 8. Между штоком 7 и нагрузочным диском 6 размещена пружина 9, соединенная с центром нагрузочного диска 6. Для измерения ударной нагрузки на образец снега 2, между пружиной 9 и нагрузочным диском 6 размещен тензодатчик 10, подключенный к измерителю электрического сигнала 11. С целью равномерного распределения силовой нагрузки на образец снега в снегозаборнике 1, нагрузочный диск 6 содержит у основания упругую прокладку 12, выполненную из холодоустойчивого материала, например полиуретана.

Предлагаемый способ с помощью данного устройства реализуется следующим образом.

Из каждого слоя снежного шурфа (шурф на чертеже не показан) с помощью снегозаборника 1 вырезают призматический образец снега 2. Затем в отверстие 3 снегозаборника 1 устанавливают центрирующую втулку 4, куда затем вставляют цилиндрическую обойму 5, конец которой сточен под конус с наружным углом скоса, составляющим 15-30°. Центрирующая втулка 4 обеспечивает перпендикулярность установки обоймы 5 относительно верхней плоскости снегозаборника 1, а следовательно, и поверхности образца снега 2 в обойме 5. Затем из снега, расположенного внутри снегозаборника 1, вырезают образец 2 для определения мгновенного предела прочности на одноосное сжатие. Для этого цилиндрическую обойму 5, вращая вокруг оси, внедряют в полость снегозаборника 1 со снегом, продвигая ее вплоть до нижнего его основания. Затем в цилиндрическую обойму 5 устанавливают нагрузочный диск 6. После этого с помощью ударника 8 импульсно воздействуют на конец штока 7, и таким образом осуществляют одноосное импульсное сжатие образца снега в обойме 5 до хрупкого его разрушения. При этом с помощью измерителя 11, подключенного к тензодатчику 10, определяют усилие разрушения образца (Pi) и мгновенный предел прочности снега (σi) для рассматриваемого i-го слоя. Затем определяют давление, оказываемое вышележащими слоями снега на каждый i-й слой, и выявляют тот слой снега в снежном покрове, который обладает наименьшим запасом устойчивости, и по значению устойчивости данного слоя судят о запасе устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне.

Пример конкретного выполнения способа.

По изложенной выше методике был определен угол склона (α) в точке закладки шурфа на склоне горы Эльбрус, а также проведены послойные измерения объемного веса снега (γi), толщины слоя (hi), мгновенного предела прочности (σi) для каждого i-го слоя в снежном покрове, и определены значения давления вышележащих m-слоев на каждый i-й слой по формуле . Запас устойчивости снежного покрова (ni) по каждому слою (а их было всего 5 слоев) определяли по формуле

.

Результаты полученных измерений приведены в таблице.

Запас прочности снежного покрова на склоне. Угол склона α=35°.

По результатам, представленным в таблице, следует, что наибольшей нагрузке подвержен третий слой в снежном покрове, у которого мгновенный предел прочности составляет 620 Н/м2, а запас прочности является наименьшим, чем у всех остальных слоев. Таким образом, путем проведения регулярного мониторинга метрических, объемно-массовых и механических параметров снежного покрова определяют состояние его устойчивости на склоне и на основе этой информации осуществляют локальный прогноз лавинной опасности в целях предупредительного спуска снежных лавин.

Литература

1. Гляциологический словарь (под ред. В.М. Котлякова). Л., Гидрометеоиздат, 1984. - 527 с.

2. Багов М.М., Эльмесов A.M. Релаксационные свойства снега. Труды ВГИ. Физика снега, лавины, сели. Выпуск 62. М.: Гидрометеоиздат, 1985. С. 62-71.

3. Долов М.А., Кислов Б.В. Релаксация напряжений в снежном покрове. Труды ВГИ. Физика снега и снежных лавин. Выпуск 15. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. С. 36-44.

4. РД 52.37.613 - 2000. Руководящий документ по снеголавинным работам. - Росгидромет. - 2000, С. 57-62).

5. Руководство по предупредительному спуску снежных лавин с применением артиллерийских систем КС-19. М.: Гидрометеоиздат, 1984. С. 40-41. ПРОТОТИП.

1. Способ определения запаса устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне путем закладки шурфа в безопасном и репрезентативном для контролируемого лавиносбора месте, определение угла склона (α) в точке закладки шурфа, проведение послойных измерений объемного веса слоев снега (γi), толщины слоя (hi), мгновенного предела прочности (σi) каждого i-го слоя и определение давления вышележащих слоев (n) на каждый i-й слой , с последующим определением запаса устойчивости снежного покрова (ni) на лавиноопасном склоне по формуле

отличающийся тем, что при определении мгновенного предела прочности снега (σi), предварительно, с помощью призматического снегозаборника, снабженного круглым отверстием в верхней плоскости, из каждого i-го слоя снежного покрова в шурфе вырезают образец снега, после чего в отверстие снегозаборника перпендикулярно верхней ее плоскости устанавливают цилиндрическую обойму, которую, вращая вокруг оси, внедряют в полость снегозаборника со снегом, продвигая ее вплоть до нижнего его основания, затем в цилиндрическую обойму устанавливают нагрузочный диск и осуществляют одноосное импульсное сжатие образца в обойме до хрупкого его разрушения, при этом измеряют усилие разрушения образца (Р) и мгновенный предел прочности снега (σi) для каждого i-го слоя, после чего выявляют слой снега в шурфе, с наименьшим запасом устойчивости, по которому затем судят о общем запасе устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне.

2. Способ определения запаса устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне по п. 1, отличающийся тем, что при одноосном импульсном сжатии образца снега в обойме между образцом снега и нагрузочным диском устанавливают упругую прокладку, выполненную, например, из холодоустойчивого полиуретана.

3. Способ определения запаса устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне по п. 1, отличающийся тем, что одноосное импульсное сжатие образца снега в обойме осуществляют путем увеличения силовой нагрузки от нуля до некоторого значения, при котором происходит хрупкое его разрушение, при этом время нагружения образца не превышает 0,2 секунды, с целью исключения влияния релаксации напряжений в структуре снега на результат измерения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Маятниковый копер содержит основание, установленные на ней маятник с грузом и закрепленный на маятнике захват образца, платформу, ось вращения которой совпадает с осью качания маятника, фиксатор для соединения платформы с осью маятника, привод вращения платформы и упор, расположенный на основании.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Устройство для испытания образцов материалов при многократном возбуждении затухающих колебаний содержит основание, установленные на нем активный и пассивный захваты для образца, траверсу для закрепления активного захвата, траверсу для закрепления пассивного захвата, фиксаторы траверс на основании, упругий элемент, соединенный с траверсой для закрепления активного захвата, груз, соединенный с упругим элементом, шарнирный двухзвенник, одно звено которого выполнено с возможностью взаимодействия с грузом, и два толкателя для поворота звеньев двухзвенника.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в строительстве при расчете ограждающих конструкций зданий. Способ заключается в том, что в исследуемом месте ограждающей конструкции на всю глубину кирпичной кладки отбирают два керна, первый керн отбирают по центру ложковой стороны наружного ряда кирпичей, второй керн отбирают так, чтобы слой раствора находился в центре керна.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Стенд содержит основание, установленные на нем разгонное устройство, включающее вал с приводом вращения, маховик, установленный на валу, штанги по количеству точек нагружения образца с ударниками для взаимодействия с образцом, установленные с возможностью изменения положения по длине вала, приспособления для создания фрикционного взаимодействия штанг с маховиком, приспособления для возврата штанг в исходное положение и устройство для размещения образца, выполненное с обеспечением взаимодействия образца с ударниками.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для усталостных испытаний образцов материалов на ударный изгиб и изгиб с кручением при сложном цикле нагружения, и может быть применено в заводской и исследовательской лабораториях.

Изобретение относится к испытательной технике и применяется при исследованиях влияния массовых сил на энергообмен при деформировании и разрушении материалов и изделий.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Стенд содержит раму с направляющей, жестко связанный с рамой пассивный захват образца, соосный ему активный захват, расположенные на раме ведущий и ведомый барабаны, привод вращения ведущего барабана, замкнутый гибкий элемент, охватывающий барабаны, груз для взаимодействия с активным захватом, установленный на направляющей рамы, два фиксатора для соединения груза с соответствующими ветвями замкнутого гибкого элемента.

Изобретение относится к способу и оборудованию для ударно-динамических испытаний режущей проволоки на разрыв при условиях, максимально приближенных к условиям использования режущей проволоки по назначению.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Установка содержит основание, установленные на нем захваты образца и механизм нагружения, предназначенный для размещения внутри образца.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля при проведении экспертизы индустриальной безопасности промышленного оборудования. Устройство содержит источник ударного воздействия, выполненный в виде молотка со встроенным зонным экраном Френеля, акселерометр со шпилькой, персональный компьютер.

Изобретение относится к искусственным защитным сооружениям в горной местности, а конкретно к стационарным сооружениям, предназначенным для защиты автомобильных и железных дорог, населенных пунктов, предприятий, отдельных зданий и сооружений от схода снежных лавин и камнепадных процессов.

Изобретение относится к удерживающему устройству, в частности к устройству, предназначенному для задержания снега, лавин, грунта, камней, насыпей. Удерживающее устройство содержит удерживающий барьер.

Изобретение относится к способам выявления признаков природных катастроф, в частности к оценке опасности поражения территорий. Способ включает выявление фитоиндикатора.

Изобретение относится к гидротехническому и природоохранному строительству. Способ возведения противолавинного сооружения включает возведение на эстакаде лавинопроводящего лотка, изготовленного в виде трамплина периодического профиля с двояковыпуклой поверхностью на вертикальных несущих опорах.

Изобретение относится к противолавинным сооружениям. Противолавинное сооружение выполнено в виде трамплина на вертикальных несущих опорах.

Настоящее изобретение относится к устройству, инициирующему принудительный сход лавины. Данное устройство содержит опору (4), прикрепляемую на склоне (1) горы, например, на бетонном основании, и камеру (3), один из концов (19) которой открыт.

Изобретение относится к области дорожного строительства, преимущественно автомобильных и железных дорог. Технический результат заключается в снижении трудоемкости и себестоимости, сокращении времени сборки конструкции и повышении безопасности при монтаже.

Изобретение может быть использовано для борьбы с селевыми паводками. Технический результат - снижение трудоемкости при создании противоселевой защиты и рациональное использование воды от весенних паводков в течение всего лета для орошения пахотных земель.

Изобретение относится к строительству, а именно к конструкциям для защиты объектов от горных обвалов, и может быть использовано для защиты железных, автомобильных дорог, газопроводов, нефтепроводов и т.д.

Предложена установка, инициирующая сход лавин, содержащая трубу (1) с закрытым концом, установленным на основании (5), например, бетонном блоке (6), который закреплен на горном склоне (7).

Изобретение относится к области лавиноведения, а именно к способам проведения регулярного мониторинга метрических, объемно-массовых и механических параметров снежного покрова для определения состояния его устойчивости на склоне и разработки на основе этой информации локальных прогнозов лавинной опасности в целях предупредительного спуска снежных лавин. Согласно предлагаемому способу на лавиноопасном склоне осуществляют закладку шурфа в безопасном и репрезентативном для контролируемого лавиносбора месте. Затем определяют угол склона в точке закладки шурфа и проводят послойные измерения объемного веса, толщины слоя и мгновенного предела прочности для каждого i-того слоя снега в шурфе. После этого определяют давление вышележащих слоев на каждый i-й слой по формуле, после чего определяют запас устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне по формуле. При определении мгновенного предела прочности снега, предварительно, с помощью призматического снегозаборника, снабженного круглым отверстием в верхней плоскости, из каждого i-того слоя снежного шурфа вырезают образец снега. Затем в отверстие снегозаборника, перпендикулярно верхней ее плоскости устанавливают цилиндрическую обойму, которую, вращая вокруг оси, внедряют в полость снегозаборника со снегом, продвигая ее вплоть до нижнего его основания. Затем в цилиндрическую обойму устанавливают нагрузочный диск и осуществляют одноосное импульсное сжатие образца в обойме до хрупкого его разрушения. При этом измеряют усилие разрушения образца и мгновенный предел прочности снега для каждого i-того слоя. Затем выявляют слой снега в шурфе, с наименьшим запасом устойчивости, по которому судят об устойчивости снежного покрова на лавиноопасном склоне. Технический результат - повышение точности определения запаса устойчивости снежного покрова. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх