Прогнозирование и оценка обстановки при селях

Сель - это стремительный поток большой разрушительной силы, состоящий из смеси воды и рыхлообломочных пород, внезапно возникающий в бассейнах небольших горных рек в результате интенсивных дождей или бурного таяния снега [11]. Площадь селеопасных территорий составляет около 8% от общей площади страны. В горах умеренного климатического пояса преимущественно проявляются дождевые сели, на севере, в пределах субарктического и арктического поясов - снеговые сели (водоснежные потоки). Наиболее активно селевые процессы развиваются в высокогорьях Северного Кавказа, в горах Байкальской рифтовой зоны и в районах современного вулканизма на Камчатке, Курилах и Сахалине.

Сели представляют собой внезапные горные потоки, обильно насыщенные твердым материалом, возникающие во время ливневых дождей, при интенсивном таянии снега, а также при прорыве запруд и плотин в долинах рек, где имеются большие запасы рыхлообломочного материала. Для формирования селевых потоков необходимо наличие: рыхлых или слабосвязных горных пород в руслах водотоков; воды в количестве и со скоростью движения, достаточных для вовлечения этих пород в движение с образованием повышенной концентрации наносов.

Твердая составляющая по своему гранулометрическому составу может быть очень неоднородна - от мельчайших глинистых частиц до крупных глыб объемом до 2 м3 и более.

Речные бассейны, в которых наблюдается прохождение селевых потоков, называются селевыми. В селевом бассейне различают три основные зоны: зона формирования селей; зона транзита селей; зона затухания селей (конусы выноса).

Зона формирования селей - часть бассейна, где находятся очаги их зарождения. Она, как правило, занимает верхнюю часть бассейна. В ней происходит зарождение и формирование селевого потока. В очаге зарождения поток приобретает все особенности, присущие селю. В зоне формирования продолжаются дальнейшие изменения насыщенности селевого потока твердой составляющей, его гранулометрического состава, характера движения.

Транзитная зона - часть бассейна (русла), где происходит движение уже сформировавшегося селевого потока без существенных изменений в его составе и режиме. Однако на отдельных участках может происходить некоторая трансформация селевого потока за счет дополнительного поступления воды и рыхлообломочного материала из притоков или размыва берегов русла. Если селевой поток в транзитной зоне претерпевает существенные изменения в своем составе или режиме движения, то в ней выделяются участки вторичного переформирования.

Зона затухания или разгрузки обычно представлена в виде конусов выноса, где происходит отложение твердого материала селевого потока. Эта зона может иметь и другие формы в зависимости от рельефа либо отсутствовать совсем, если селевой поток разгружается в крупный водоток.

Классификация по генетическим особенностям очагов зарождения отражает наиболее общие закономерности формирования селей. По гидрологическим особенностям формирования селей выделены следующие основные группы очагов, связанные: со скоплением рыхлообломочного материала в руслах временных и малых водотоков; с подпруживанием рек; с деятельностью современных ледников; с деятельностью вулканов.

Влияние рельефа на характер и интенсивность селевого процесса может быть прямым и косвенным. Прямое влияние на формирование селей оказывают уклоны русел рек, крутизна склонов, морфология долин. Косвенное воздействие рельефа проявляется в качестве одного из компонентов географической среды, в значительной мере определяющего характер и пространственное распределение поверхностных и подземных вод, растительного и животного мира. Наличие леса на горных склонах резко снижает селеопасность территории. Кустарниковый и травяной покров также хорошо защищает горные склоны от эрозии.

Опасность селей - это угроза подверженности территории воздействию селевых потоков. При характеристике селевой опасности территории России приняты следующие основные показатели (критерии): пораженность территории селями, характеризуемая коэффициентом пораженности, представляющая собой отношение площади селевых бассейнов к общей площади территории в процентах; средний максимальный объем единовременных выносов селей; скорость движения селевых потоков; повторяемость селей (число случаев за 100 лет); разрушения, произведенные селевыми потоками. По первым двум показателям оценка селевой опасности территорий производится в баллах (табл. 4.13).

Таблица 4.13

Селевая опасность территории

Пораженность территории, % (баллы)

Максимальный объем, тыс. м3 (балл)

более 500 (3)

от 50 до 500 (2)

менее 50 (1)

Более 25 (3)

6

5

4

5 - 25 (2)

5

4

3

Менее 5(1)

4

3

2

Максимальное количество баллов (5-6) характеризует чрезвычайно опасные территории; среднее количество баллов (4) -опасные и умеренно опасные; минимальное количество баллов (2-3) -незначительно опасные. Наиболее часто образуются сели дождевого питания, основным условием формирования которых является количество осадков, способных вызвать смыв продуктов разрушения горных пород и вовлечь их в движение (табл. 4.14).

Таблица 4.14

Условия формирования дождевых селей

Районы России

Суточные максимумы ливневых осадков, мм, при 20 % обеспеченности

Минимальные суммы селеформирующих осадков, мм/сут

Северный Кавказ

50-70

20

Предбайкалье и Забайкалье

40-70

40

Горы северо-востока

30-60

-

Приморье

74-130

-

Приамурье

60-80

30

Камчатка

40-90

-

Сахалин

40-100

60

Урал

30-40

20

Основные параметры селевых потоков приведены в табл. 4.15

Таблица 4.15

Основные параметры селевых потоков

Параметр

Значение

Плотность, кг/м3

(1,2-1,9) • 103

Вязкость, пуаз (Пз)

4-20

Скорость движения в транзитных условиях, м/с:

- для уклонов 10...27°

2,5-7,5

- максимально возможная

14-16

Предельная крутизна прекращения

движения,град

2-5

Высота селевого потока, м:

- катастрофического

До ю

- мощного

3-5

- среднего

2,5

- маломощного

1,5

Продолжительность, ч

0,5-70

Ширина потока на транзитных участках, м

5-70

Расход, м3

30-800

Повторяемость, лет

15-20

Размер крупных включений, м

3-4

Масса включений, т

200-300

Последствия воздействия селевого потока на различные объекты зависят от его основных параметров, к которым относятся: расход Qc, м3/с; объем Wc, м3; скорость селевого потока Vc, м/с; дальность продвижения Lc, м; размер включений, которые определяют величину гидравлического давления селевого потока на преграду АР, Па:

АР = АРСТ + АРДИН , (45)

где АРСТ, Па, - среднее гидростатическое давление селевого потока на преграду, определяемое по формуле

APCT = 0,5-g-pc-hc, (46)

где рс - средняя плотность селевого потока, кг/м3; hc - глубина селевого потока, м.

Гидродинамическое давление селевого потока на здания и сооружения:

ДРдш1 = 0,5-С-рсУ2с (47)

где С - коэффициент взаимодействия селевого потока с преградой (в зависимости от угла встречи потока с преградой р можно принять С = (sinp)2); Vc - скорость движения селевого потока, определяемая по эмпирической формуле

Vc = 11,4- h1/2c- (Vo- sin а)1/3 (48)

где Vq - относительная гидравлическая крупность вовлекаемых в поток материалов (0,7 < Vo< 1,0); а - средний угол наклона селевого русла, град; hc - средняя глубина потока, м.

Для ориентировочной оценки величины he можно принять: hc = 1 -J- 1,5 м для маломощного потока, he = 2 4- 3 м для среднемощного и hc = 3 -г 5 м для мощного селевого потока.

Суммарное давление селевого потока (ДРЮ'5, Па), вызывающего разрушение объектов определенной степени, представлено в табл. 4.16.

Расстояние продвижения селевого потока определяют в два этапа. Сначала рассчитывают дальность продвижения селя в долине реки Ьь

Li = 12,1 -Wc-i / (d-B), м, (49)

где Wc - объем селя, м3; і - средний уклон долины (i = tg a); d -средний диаметр анкирующих обломков, принимаемый равным 0,5 4- 0,8 - для селевых врезов, 0,3 ч- 0,4 - для рытвин и 0 -і- 0,2 - для очагов рассредоточенного селеобразования; В - среднее расстояние между селевыми береговыми валами, м.

На втором этапе рассчитывают дальность продвижения селевого потока на конусе выноса Ь2 (м) при условии, что Li> LD:

Ь2 = л/36,6- (Wc - d-BLD)-ik/d

(50)

где ik - средний уклон конуса выноса; LD - расстояние от конца селевого потока до вершины конуса выноса, м.

Таблица 4.16

Степень повреждения объектов при воздействии селевых потоков

(АР105, Па)_________________________________________________

Объекты

Полное разрушение

Сильное разрушение

Среднее разрушение

Слабое разрушение

Здания со стальными и железобетонными каркасами

0,90-1,50

0,75-0,90

0,65-0,75

0,45-0,65

Кирпичные здания, бескаркасные, с покрытием из железобетонных элементов, малоэтажные

0,68-0,98

0,53-0,68

0,30-0,53

0,20-0,30

Деревянные здания

  • 0,30-0,45
  • 0,18-0,30

0,12-0,18

0,09-0,12

Здания ГЭС (монолитный железобетон)

4,50-5,00

3,00-4,50

1,50-3,00

0,75-1,50

Воздушные линии телефонно-телеграфной связи

1,50-1,70

0,90-1,50

0,60-0,90

0,30-0,60

Кабельные подземные линии связи

1,60-1,80

1,00-1,60

0,65-1,00

0,40-0,65

Мосты из металла и железобетона пролетом до 50 м

3,80-4,50

3,00-3,80

2,30-3,00

1,50-2,30

Земляные плотины

15,0-20,0

12,0-15,0

10,0-12,0

3,0-10,0

Бетонные плотины

150

75,0-140,0

30,0-75,0

5,0-30,0

Наземные стальные газгольдеры, резервуары для хранения нефте- и химпродуктов

0,60-0,68

0,45-0,60

0,30-0,45

0,23-0,30

Суммарная дальность продвижения селевого потока принимается

Lc= Li, если L] > Ld или Lc= Ld + L2, если Li < LD , м (51)

Объем селевого потока определяют по формуле

Wc = (1 + 0,12- 7-sin2 a)-W , м3 (52)

где I - длина селевого очага, м; а - уклон селевого очага, град; W - объем водного паводка, определяемый по следующим формулам: -для озера, подпруженного ледником,

W = 0,2SHnJI, (53)

где S - площадь водной поверхности озера на уровне 80 % высоты плотины, м2; Нпл - высота плотины (ледника), м;

-для дождевого паводка

W = 9,5- 102-HrZF, (54)

где Hi - максимальный суточный слой осадков 1%-ной обеспеченности, мм/сут, определяемый по данным ближайшей метеостанции; F - площадь водосбора, км2; X - коэффициент перехода от слоев дождевого стока 1%-ной обеспеченности к слоям стока равен X =1 для всех регионов РФ [15].

Величина и интенсивность стока воды меняются по годам и зависят как от длины и крутизны склона, так и от погодных условий. Повторяемость какой-либо величины стока воды по годам, выраженную в процентах, принято называть обеспеченностью стока. Например, 10 % - ная обеспеченность означает, что такой сток может наблюдаться один раз в 10 лет, а в остальные 9 лет величины стока будут меньше; 50 % - ная обеспеченность означает, что принятая величина стока в пяти случаях из десяти будет больше, а в пяти -меньше фактической. Чем больше величина стока, тем реже она повторяется. Например, величина стока 10 % - ной обеспеченности будет значительно больше величины 50 % - ной обеспеченности.

Пример решения задачи

Задача. Оценить последствия схода селевого потока для расположенного в предгорьях Северного Кавказа населенного пункта, состоящего из малоэтажных кирпичных домов, административного многоэтажного здания с железобетонным каркасом и имеющего железобетонный мост через реку с пролетом 40 м.

Сель возник в результате дождевых осадков, причем максимальный суточный слой осадков 1%-ной обеспеченности, по данным метеостанции, равен Н! = 25 мм/сут на площади F = 20 км2. Ширина реки В = 80 м, длина селевого очага 1 = 500 м, средний уклон а = 10° (i = tg а = 0,176), расстояние от конца селевого потока до вершины конуса выноса LD = 1000 м.

Решение:

1. Определим объем водного потока W по формуле (54):

W = 9,5- 102-25-1 • 20 = 4,75-105 м3.

2. Объем селевого потока Wc найдем по формуле (52):

Wc = (1 + 0,12-500-sin210)- 4,75-105 = 1,33-106 м3.

3. По формулам (49) и (50) определим дальность продвижения селевого потока при d = 0,6:

L, = 12,1 1,33-106-0,176/(0,6-80) = 59 000 м;

U = <36,6 • (1,33-106 - 0,6- 80-1000) 0,176/0,6 = 3700 м.

Так как явно больше LD, то по условию (51) принимаем, что дальность продвижения селевого потока будет равна Lc = Li = 59 км.

4. Принимая высоту селевого потока равной hc = 3 м, по формуле (48) найдем скорость селевого потока Vc при Vo = 0,8:

Vc= 11,4- 31/2- (0,8- sin 10)1/3 = 10,2 м/с.

5. Гидродинамическое давление селевого потока на здания и сооружения определяем по формуле (47):

АРдин = 0,5-1-1,5-103-10,22= 78030 Па.

Здесь значение плотности селевого потока рс = 1,5-103 кг/м3 заимствовано из табл. 4.15, а угол встречи селя с преградой принят равным (3 = 90° (sin2p =1).

6. Гидростатическое давление селевого потока на здания и сооружения находим по формуле (46):

АРСТ = 0,5- 9,8-1,5-103-3 = 22 050 Па.

7. Суммарное гидравлическое давление селевого потока на здания и сооружения рассчитываем по (45):

АР = 22 050 + 78 030 = 100 080 (Па) -1-Ю5 Па.

8. По табл. 4.16 находим, что при значении АР 10’5 = 1 сильные разрушения получат здания со стальными и железобетонными каркасами; будут полностью разрушены кирпичные здания, бескаркасные, с покрытием из железобетонных элементов, малоэтажные. Железобетонный мост через реку не пострадает.

Задача для самостоятельного решения. Оценить последствия схода селевого потока для объектов, расположенных в селеопасной зоне в русле реки.

Возможность схода селя обусловлена дождевыми осадками с максимальной суточной обеспеченностью, не превышающей 1 % (А. =1), при которой на площади F (км2) максимальный суточный слой осадков равен Hi (мм/сут). Ширина реки В (м), длина селевого очага / (м), средний уклон а°, расстояние от конца селевого потока до вершины конуса выноса LD (м).

Исходные данные приведены в табл. 4.17.

Таблица 4.17

Исходные данные для самостоятельного решения задач по оценке последствий схода селевого потока

Варианты

Площадь водосбора F, км2

Ширина реки В, м

Длина селевого очага 1, м

Уклон селевого очага а, град

Длина селевого выброса TD, м

Максимальный суточный слой осадков Я/, мм/сут

Тип строения

1

50

40

200

30

1000

40

Здания со стальными и ж/бкаркасами

Воздушные линии телефонной связи

Наземные резервуары

2

30

20

300

20

700

40

3

20

30

250

20

800

30

4

40

20

200

10

850

40

Деревянные здания

Мосты из металла и ж/б пролетом до 50 м Земляные плотины

5

10

10

100

15

600

20

6

20

10

150

20

700

30

7

30

20

200

15

800

40

Воздушные линии телефонной связи

Бетонные плотины

Наземные стальные газ-

гольдеры, резервуары

8

40

30

250

10

850

25

9

20

10

300

20

800

30

10

50

30

400

10

1000

40

Деревянные здания

Мосты из металла и ж/б пролетом до 50 м

Бетонные плотины

И

10

5

200

10

500

25

12

20

10

250

20

700

25

13

40

20

300

30

900

30

Деревянные здания

Воздушные линии телефонной связи

Земляные плотины

14

30

10

300

25

800

20

15

20

5

100

15

700

30

  • 4.5. Прогнозирование опасных атмосферных явлений
  • 4.5.1. Ураганы

Ураганы являются одной из самых мощных сил стихии. По своему пагубному воздействию не уступают таким страшным стихийным бедствиям, как землетрясения. Это объясняется тем, что они несут в себе колоссальную энергию. Ее количество, выделяемое средним по мощности ураганом в течение одного часа, равно энергии ядерного взрыва в 36 Мт.

Ураганы и штормовые ветры в зимних условиях часто приводят к возникновению снежных бурь, когда огромные массы снега с большой скоростью перемещаются с одного места на другое. Их продолжительность может быть от нескольких часов до нескольких суток. Особенно опасны снежные бури, проходящие одновременно со снегопадом, при низкой температуре или при ее резких перепадах. В этих условиях снежная буря превращается в подлинное стихийное бедствие, причиняя значительный ущерб регионам. Снегом заносятся дома, хозяйственные и животноводческие постройки. Иногда сугробы достигают высоты четырехэтажного дома. На большой территории на длительное время из-за снежных заносов останавливается движение всех видов транспорта. Нарушается связь, прекращается подача электроэнергии, тепла и воды. Нередки и человеческие жертвы.

На территории России ураганы, бури и смерчи могут происходить в любое время года, но чаще всего — в августе и сентябре. Синоптики относят ураганы, бури и смерчи к чрезвычайным событиям с умеренной скоростью распространения, поэтому чаще всего удается объявить штормовое предупреждение. Оно может быть передано по каналам гражданской обороны: после звука сирены «Внимание всем!» надо слушать местное радио и телевидение.

Самой важной характеристикой урагана является скорость ветра. В табл. 4.18 (по шкале Бофорта) представлены названия ветровых режимов и зависимость от скорости ветра, что свидетельствует о силе урагана (шторма, бури). Обычно за ширину урагана принимают ширину зоны катастрофических разрушений. Часто к этой зоне прибавляют территорию ветров штормовой силы со сравнительно небольшими разрушениями. Средняя продолжительность урагана 9 -12 дней. Часто ливни,

сопровождающие ураган, гораздо опаснее самого ураганного ветра (вызывают наводнения и разрушения зданий и сооружений).

Таблица 4.18

Название ветрового режима в зависимости от скорости ветра

Баллы

Скорость ветра (миля/ч)

Наименование ветрового режима

Признаки

0

0-1*

Затишье

Дым идет прямо

1

2-3

Легкий ветерок

Дым изгибается

2

4-7

Легкий бриз

Листья шевелятся

3

8-12

Слабый бриз

Листья двигаются

4

13-18

Умеренный бриз

Листья и пыль летят

5

19-24

Свежий бриз

Тонкие деревья качаются

6

25-31

Сильный бриз

Качаются толстые ветви

7

32-38

Сильный ветер

Стволы деревьев изгибаются

8

39-46

Буря

Ветви ломаются

9

47-54

Сильная буря

Черепица и трубы срываются

10

55-63

Полная буря

Деревья вырываются с корнями

11

64-75

Шторм

Везде повреждения

12

Более 75

Ураган

Большие разрушения

* 1 миля = 1,852 км

Важнейшими характеристиками ураганов, определяющими объемы возможных разрушений и потерь, являются скорость ветра (скоростной напор воздушного потока Рск), ширина зоны, охваченная этими явлениями, и продолжительность их действий. Фактором опасности являются также интенсивные осадки.

Разрушительную способность ветра обозначают условными баллами в зависимости от скорости ветра (шкала Фьюджита):

Класс разрушений F

0

1

2

3

4

5

Скорость ветра V, м/с

18

33

50

70

93

117

Повреждения, соответствующие классам F:

О - слабые разрушения (повалены слабые деревья);

  • 1 - средние разрушения (ураганная скорость ветра, сорваны крыши, деревья вырваны с корнем);
  • 2 - значительные разрушения (разрушены слабые здания и сооружения);
  • 3 - серьезные разрушения (перевернуты поезда, разрушены дома);
  • 4 - опустошительные разрушения;
  • 5 - катастрофические разрушения (дома сорваны с фундаментов, металлические конструкции сильно повреждены).

Ущерб, причиняемый ураганом, определяется целым комплексом различных факторов:

  • - рельеф местности;
  • - степень застройки и прочность строений;
  • - характер растительности;
  • - присутствие в зоне действия урагана населения и животных;
  • - время года;
  • - проведенные профилактические мероприятия и др.

Ветровая нагрузка, или скоростной напор воздушного потока Рск, пропорционален произведению плотности атмосферного воздуха на квадрат скорости воздушного потока

Рск =0,5-р-V2, (55)

где р - массовая плотность воздуха, кг/м3; V - скорость ветра, м/с.

Нормативное значение ветровой нагрузки следует задавать в одном из двух вариантов [16]. В первом случае нагрузка представляет собой совокупность: а) нормального давления, приложенного к внешней поверхности сооружения; б) сил трения, направленных по касательной к внешней поверхности и отнесенных к площади ее горизонтальной (для шедовых или волнистых покрытий, покрытий с фонарями) или вертикальной проекции (для стен с лоджиями и подобных конструкций); в) нормального давления, приложенного к внутреннимповерхностям сооружений с проницаемыми ограждениями, с открывающимися или постоянно открытыми проемами. Во втором случае нагрузка рассматривается как совокупность: а) проекций и внешних сил в направлении осей и обусловленныхобщим сопротивлением сооружения; б) крутящего момента относительно оси.

Нормативное значение ветровой нагрузки следует определять как сумму средней и пульсационной составляющих:

w = wm + wp.

При определении внутреннего давления пульсационную составляющую ветровой нагрузки допускается не учитывать.

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки в зависимости от эквивалентной высоты над поверхностью земли следует определять по формуле

wm = w0-k-k(ze)-c,

где Рн (Wo) - нормативное значение ветрового давления; k (ze) -коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты ze', с - аэродинамический коэффициент.

Нормативное значение ветрового давления (табл. 4.19) принимается в зависимости от ветрового района, который определяется по карте 3 приложения Ж СП 20.13330.2011 [ 16].

Таблица 4.19

Нормативное значение ветрового давления

Ветровые районы *

I

II

III

IV

V

VI

VII

Рн, кПа

0,17

0,23

0,30

0,38

0,48

0,60

0,73

0,85

* Некоторые города, входящие в соответствующие ветровые районы: 1а - Ленек, Витим; I - Сыктывкар, Ярославль, Москва, Ижевск, Пермь, Якутск, Тында; II -Братск, Чита, Омск, Челябинск, Казань, Архангельск, Воронеж, Уфа, Курск; III— Саратов, Саранск, Бузулук, Оренбург, Волгоград; IV - Нарьян-Мар, Салехард, Норильск; V - Магадан, Охотск; VI - Тикси, Альдерма; VII - Анадырь, Диксон

Примеры решения задач

Задача 1. В городе Норильске получено штормовое предупреждение. Надвигается ураган. Ожидаемая скорость ветра 140 км/ч (38,8 м/с). Оценить устойчивость стекол в жилых и производственных помещениях.

Решение:

Условие разрушения стекол: Рск > Рн

Давление скоростного напора определяем по формуле (55)

Рск = 0,5-1,225-392 = 931,6 Па.

Для города Норильска, расположенного в IV ветровом районе (табл. 4.19), нормативное значение ветрового давления Рн = 480 Па.

Вывод: поскольку рассчитанное Рск больше нормативного значения ветрового давления Рн, существует опасность разрушения остекления жилых помещений.

Задача 2. Оценить возможность смещения грузового вагона от воздействия на него порыва ветра со скоростью 30 км/ч (8,3 м/с). Вагон крытый цельнометаллический, 4-осный, не закреплен; вес т = 24,5 тс; ширина вагона b = 3,28 м, высота h = 4,7 м. Действие ветра перпендикулярно торцу вагона. Коэффициент аэродинамического сопротивления набегающему воздушному потоку Сх = 0,85, коэффициент трения качения стального колеса по рельсу f = 0,05.

Решение:

Условие смещения незакрепленного вагона: FCM> FTp.

Смещающую силу ветра, приложенную к центру давления обдуваемой площади (миделя) FCM , находим по формуле

Р _ с .<2 • Р Х СМ ° 1 СК 9

где S = b • h = 3,28 • 4,7 = 15,42 м2 - площадь обдуваемой части вагона (площадь миделя).

Находим скоростной напор:

Рек = pV2/2 = 1,225-8,32/2 = 42,2 Па = 0,042 кПа ;

FCM = 0,85-15,42-0,042 = 5,5 кН;

FTp = f • FT = f-m-g = 0,05-24500-9,8 = 12005 = 12 кН .

Вывод: смещение (угон) вагона невозможен, так как условия смещения не выполняются, FCM> Ftp , (5,5 кН < 12,0 кН).

Задача для самостоятельного решения. В городе N получено штормовое предупреждение. Надвигается ураган. Ожидаемая скорость ветра V км/ч (м/с). Оценить устойчивость стекол в жилых и производственных помещениях.

Таблица 4.20

Исходные данные для самостоятельного решения задач по атмосферным явлениям______________________________________

Варианты

Город

Скорость ветра, V км/ч

1

Братск, Альдерма, Салехард

ПО

2

Якутск, Уфа, Нарьян-Мар

74

3

Архангельск, Салехард, Волгоград

95

4

Курск, Охотск, Витим

90

5

Сыктывкар, Казань, Бузулук

100

6

Диксон, Саранск, Охотск

95

7

Тында, Воронеж, Анадырь

85

8

Ленек, Омск, Саратов

70

9

Ижевск, Оренбург, Магадан

80

10

Магадан, Саратов, Ленек

115

11

Нарьян-Мар, Витим, Челябинск

80

12

Тикси, Волгоград, Сыктывкар

100

13

Анадырь, Пермь, Оренбург

80

14

Норильск, Москва, Диксон

90

15

Бузулук, Ярославль, Норильск

75

4.5.2. Грозы

Грозы - наиболее распространенные атмосферные опасные явления. При грозе выпадает большое количество осадков, но наибольшую опасность представляют электрические разряды -молнии, от которых могут возникнуть пожары в лесах и зданиях, разрушаться электротехнические устройства и которые могут поражать людей. Средняя продолжительность одного грозового цикла составляет порядка 30 мин, а электрический разряд каждой вспышки молнии соответствует 20-30 Кл и может образоваться на участке грозовой тучи радиусом до 2 км.

Основной отрицательный заряд расположен вблизи изотермы минус 5 °С, положительные заряды находятся на несколько километров выше и около нижней границы облака. Для оценки последствий от удара молнии важным является разряд между слоями атмосферы и землей. Предельное напряжение пробоя, вызывающее образование ионизированного канала, равно 3 106 В/м. Лавинный заряд движется вниз ступеньками по 50-100 м, пока не достигнет земли (ступенчатый лидер). На удалении от земли молния «выбирает» какой-либо возвышающий предмет. Обычно ступенчатый лидер переносит вниз отрицательный заряд. Он может переносить и положительный заряд. При этом время нарастания, а затем уменьшения тока более продолжительно, а значения заряда могут достигать 200 Кл и тока - 218 кА. Повреждения, наносимые молнией, обусловлены высоким напряжением, большой силой тока в канале движения и температурой до 40000 К. Особо опасны шаровые молнии.

Молниеприемник притягивает приблизившегося ступенчатого лидера, образуя защитный конус с углом 90 град, ниже его верхушки. Как показывает практика, существующие системы молниезащиты не обеспечивают достаточного уровня защиты от прямых разрядов. Таким образом, возникает реальная неизбежность поражения защищаемых объектов и персонала.

Прямые удары молнии происходят даже в защищённые объекты. Все они могут приводить к возгораниям и взрывам либо к выходу из строя контрольно-измерительной аппаратуры и автоматики. Следовательно, предотвращая прямые удары в критически важные объекты и их окружение, можно снизить необходимость защиты каждой точки, потенциально подверженной индуцированным токам, и минимизировать прочие требования к защите от перенапряжений.

В 1971 году компания Lightning Eliminators & Consultants, Inc. (США) разработала систему Dissipation Array ® System (DAS®), позволяющую полностью исключить попадание молнии в защищаемую область [17]. У нас в стране такая система получила название «зеленая молниезащита». Работа системы основана на принципе точечной разрядки, заключающемся в стекании заряда с острия многочисленных иголок в окружающую атмосферу и создании тем самым объёмного заряда, препятствующего развитию восходящих лидеров и задерживающих движение нисходящих лидеров молнии (рис. 4.5). В результате молниевый разряд не попадает в защищаемый объект, а разряжается в незащищённой области.

Г Злряженное fpcjOBOC облако

Другие еетеи молнии

Удар в незащищенный

объект

Ветер

^'Нисходящий лидер

___— заряд

' —Прерывание нисходящего лидера

область /^Заряженная область '

Система заземления

Рис. 4.5 Предотвращение попадания молнии с помощью системы Dissipation Array System компании LEC

DAS состоит из трёх основных элементов:

  • 1. Ионизатор. Это основной элемент системы молниезащиты, содержащий тысячи иголок, переносящих заряд, собранный системой заземления в окружающую атмосферу, создавая тем самым облако объёмногозаряда. При увеличении электромагнитного поля, вызванного надвигающимся грозовым фронтом, традиционные стержневые молниеприёмники формируют восходящие стримеры, которые провоцируют удар молнии. Многоточечный ионизатор, напротив, запускает процесс ионизации при несколько большей напряжённости поля, но при его увеличении ионизационные токи экспоненциально возрастают. Поскольку ионы распределяются по большой площади, никаких стримеров не возникает.
  • 2. Система заземления. Для работы системы необходимо качественное заземление. Система сбора зарядов является источником заряда, переносимого ионизатором в атмосферу. Как только образуется положительный заряд, наведённый грозовым фронтом на поверхность земли, его часть собирается системой сбора зарядов. Система сбора зарядов подобна обычной системе заземления, но она является приёмником, а не системой заземления для растекания токов молний. По сути их назначения абсолютно противоположны.
  • 3. Система переноса заряда. Система сбора зарядов соединена с ионизатором с помощью низкоомного проводника, который обеспечивает прямой перенос заряда к ионизатору. По сравнению с традиционными молниеприёмниками этот проводник несёт существенно меньший ток и предназначен не для переноса огромных токов молнии, а для соединения частей системы в единое целое. Максимальный ток не превышает нескольких миллиампер и не вызывает никаких вторичных воздействий, имеющих место при работе традиционных систем молниезащиты.

Глава 5.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >