Результаты расчета прорывного паводка

Расчетный гидрограф гипотетического прорыва (рис.4) характеризуется сравнительно большой величиной отрицательной асимметрии, характерной при прорыве озер по внутриледниковому каналу. Максимальный расход воды 123,5 м³/с, достиг своей величины через 4,5 часа от начала прорыва. Объем прорывного паводка равен 764 тыс.м³. Расчетная площадь выходного отверстия внутри ледникового туннеля равна 7,1 м², это соответствует диаметру круглого сечения равному 3 м. Скорость истечения из устья туннеля при прохождении максимального расхода воды должна быть равна 123,5/7,1 =17,4 м³/с, но это теоретически. Вот что сообщает Ю.Б Виноградов, ссылаясь на достоверную информацию, рассматривая в своей монографии [1], что представляет собой ледяной туннель в гидравлическом отношении. « В одном месте из трещины вода била фонтаном, с оглушительным ревом поднимаясь надо льдом... Тяжелые биения... сотрясали грандиозную ледяную толщу...Долина была залита водой. Яростные потоки рвались из-под ледника, с грохотом перекатывая тяжелые камни. Глыбы льда вырывались изредка вместе с водой и стремительно уносились в хлопьях грязной пены; то в одном, то в другом месте раздавался грохот обвала. Подмытые водой, рушились своды ледника, закупоривая невидимые туннели. Так вот как выглядит прорыв озера!»

Несоответствие теоретической и фактической скорости истечения в рассматриваемой модели уравновешивает гидравлический параметр δ, «несущий в себе эмпирическую компенсацию большого числа неопределенностей, оценивается исходя из наилучшего соответствия модели и действительности»[1,с.118] .

В нашем случае коэффициент δ принят равным 2,65 в соответствии с зависимостью δ(1).

Селевой поток. Прорывной паводок при гипотетическом внезапном опорожнении озера Башкара, размыв нижние озера и пройдя зандровое поле, обрушится в селевой очаг, расположенный на фронтальном склоне современной морены. Длина очага 420 м. Уклон 13,9⁰. Очаг представляет собой селевой врез глубиной 15-20 м и шириной около 30-40 м, достигая на отдельных участках 50 м. Ширина по дну – от 3 до 7 м. Дно очага завалено обломками горной породы: глыбами, щебнем и песчано-гравийным заполнителем. Продольный профиль ступенчатый, встречаются небольшие водопады.

На подходе к моренному уступу прорывной паводок озерной воды обогатится твердой составляющей и превратится в наносоводный поток, который согласно расчетам достигнет плотности 1127 кг/м³. Максимальный расход увеличится с 123,5 м³/с до 133,6 м³/с. В очаге процесс селеобразования будет протекать по транспортно-сдвиговому типу [2]. Там селевой поток достигнет своей наибольшей величины. Ниже по течению в долине р.Адыл–Су он будет трансформироваться, теряя свою мощь.

Расчеты образования селевого потока и его трансформации выполнены по двум моделям  [3,5].

По модели Ю.Б. Виноградова [3] максимальный расход селевого потока и его объем вычисляется по формулам:

          ,                                                    (5)

Коэффициент N_i определяется численным способом в результате реше­ния трансцендентного уравнения:

где c_i=(4...6)·10^-6 (м·с²)/кг- коэффициент пропорциональности; g=9,81 м/с - ускорение свободного падения; ζ_пт - относительная объемная влаж­ность породы на пределе текучести; ΔI_i - длина i-ro участка в селевом очаге или русле, м.

Б.С. Степанов, рассматривая сложные схемы качественного анализа влияния селевой смеси на процесс образования селевого потока, предложил упрощенный алгоритм расчета предложенного им трансцендентного уравне­ния [5]. Рассматривая i-й участок очага , алгоритм можно написать в сле­дующем виде:

   где  с=2,68·10^-7,м^-1 – коэффициент пропорциональности, w – влажность грунта, Э– эродирующая способность селевой смеси, у – устойчивость селеформирующих грунтов к эрозии. Остальные обозначения прежние.

Выражения (8) – (10) дают возможность определить расход селевой смеси Q_ci+1 и ее плотность γ_ш+1,в створе, являющемся началом i+1 участка (замыкающем створе i-го участка)               

                                                                                                                             (11)

                                                                        (12)

Эродирующая способность селевой смеси зависит от плотности потока. Для принятых характеристик грунтов построена графическая зависимость (рис.5). Другие исходные данные для расчета по рассмотренным моделям имеют следующие значения при входе в селевой очаг:Q_м=125,1; V=(764+116+22,7–22,7)·10³=880 тыс.м³; w=0,067;  ζ=0,18; ζ_пт=0,507;_о=1000 кг/м₃; =2670 кг/м³; в очаг поступает наносоводный поток с плотностью 1127 кг/м³; Q_с=133,6 м³/с; N_i= 0,069. Объем паводковой волны состоит из   764 тыс. м³ – прорыв оз.Башкара, 166 тыс.м³ – прорыв нижних озер, 22,7 тыс.м³приток с ледникового водосбора; 22,7 тыс.м³ – часть объема прорывного паводка (QQ_кр), непринимающая участия в формировании селя. Характеристики селевого очага : _ст=32⁰, =13,9⁰, I=420 м. Устойчивость селеформирующих грунтов к эрозии принята равной 0,4.

 

Долина р. Адыл–Су. Трансформация селевого потока. Даже при кратковременном знакомстве с долиной возникает чувство о ее перегруженности обломками горных пород и это действительно так: долина завалена горными обвалами, материалом эрозии снежных лавин и более всего – речными и се­левыми отложениями. На расширенных участках дна долины, имеющих выположенные уклоны, хаотично нагромождены останцы древних и современ­ных селевых валов. Разбросаны эрратические глыбы (4-5 м), на верхушке которых можно встретить спокойно растущую сосенку. Такое состояние долины обусловлено наличием мощного оледенения. На участке протяженностью всего лишь пять километров от истока р.Джан-Куат до устья р. Шхельда (средняя и верхняя часть долины) в долину спус­каются с северных склонов Главного (Водораздельного) хребта Кавказа че­тыре языка крупных ледников. Их общая площадь равна 14,1 км². С учетом еще 21 мелких ледников суммарная площадь оледенения составляет 21,9 км² [6].

Геолого-морфологический анализ горных долин позволяет полагать, что происходящие в современную эпоху селевые процессы таковы, что с их помощью  происходит не только снос материалов, заполняющих боковые долины, но они же являются основными «ассенизаторами», вынося продукты горной денудации на предгорные равнины. Долина р. Адыл-Су ждет своего часа.

Река Адыл–Су является наиболее многоводным притоком в верховьях р.Баксан. Длина реки – 12,8 км. Площадь водосбора - 98,7 км². В гидрологическом отношении не изучена. Приведенные ниже стоковые характеристики получены с использованием данных гидрометрического створа на р. Баксан у с.Юсенги, замыкающем водосбор верховья р. Баксан, равный 180 км², включая бассейн Адыл–Су.

Средний годовой сток р. Адыл–Су равен 167,8 млн. м³. За наиболее многоводный сезон с июля по август проходит 45,6 % годового стока. В пересчете среднесуточный расход – 14,6 м³/с – эта величина (в наиболее опасный селевой период) распределяется по длине р. Адыл - Су следующим образом:            

• 
  в устье р. Башкара - 3,8 м³/с;
  
• 
  в устье р. Кашкарташ - 5,8 м³/с;
  
• 
  в устье р. Шхельда - 14,5 м³/с.
  

Обогащение селевой массы, трансформация, распад и остановка селевого потока при его движении от очага до расчетного створа является наименее разработанной частью существующих схем расчета. Это в полной мере отразилось и на результатах расчета, представленных в таблице 1. Из таблицы видно, что максимальный расход селя и его характеристики, вычисленные по двум моделям, близки между собой и отвечают допустимой точности. При этом почти в два раза отличаются расчетные характеристики селевого потока при продвижении его по долине р. Адыл–Су.

Трансформация потока зависит от множества факторов: морфометрических и гидравлических характеристик селевого русла, мощности потока, его плотности и, прежде всего, от состава и свойств селевой массы. Ю.Б. Виноградов отмечает, что «серьезные теоретические построения для решения этих вопросов – дело будущего » [3] и предлагает для расчета трансформации пока использовать выражение:

                                                                      (13)

где О_с - начальное значение расхода селевого потока на участке длиною Δ1,

с₂=(1.. .4)-10 ^-7  м-² – коэффициент пропорциональности.

Расчет ведется по участкам селевого русла, характеризуемым прибли­зительно одинаковой шириной В и углом наклона .. Результаты вычислений расхода Q_c и объема W по предыдущему участку являются начальными значениями и  при расчете по следующему.

Динамический угол внутреннего трения _g=23.3° водонасыщенной рыхлообломочной породы определен для нашего случая из соотношения [3] при _кр=11,9°.

 

             (14)

В приведенном выражении (13) учитывается мощность потока, разность напряжений движения и торможения относительно давлению селевой массы на горизонтальную площадку. Свойства селевой массы в полной мере учитываются динамическим углом внутреннего трения.

Неоднозначными характеристиками селевого русла в (13) являются с₂ и В, которые должны определяться при полевых изысканиях. Нами был использован упрощенный картографический способ для определения ширины селевого русла. Значение коэффициента с₂ было назначено соответствующим наибольшей деформации.

Б.С. Степанов считает [4], что при углах наклона русла менее критиче­ского (а_кр), на которых развивается транспортный процесс селеобразования, существует тесная прямолинейная зависимость между углом наклона русла и плотностью селевого потока. Предложена z-функция (рис.6), характеризую­щая зависимость между минимальным уклоном, при котором происходит распад селевой массы и плотностью селевого потока, разделяет координат­ную плоскость на две области I и II. В области I преобладает процесс обога­щения потока селевым материалом, в области II - распад.

Селевой поток – сложный многогранный процесс. При его движении происходит почти непрерывный процесс обогащения и отложения селевой массы и лишь на отдельных участках и при достижении определенных свойств селевой массы может наблюдаться стационарный процесс.

Известны случаи, когда грязе-каменные селевые потоки при выходе из селевого очага на выположенные уклоны русла долины продолжали движе­ние без существенного распада [4]. Принимая это во внимание, на втором участке мы отклонились от авторской схемы расчета. Учитывая, что при распаде селевой поток освобождается в первую очередь от крупной фракции селевой смеси, было принято, что к концу второго участка поток освободится лишь частично от крупной фракции. По принятой плотности вычислены макси­мальные расходы селя Q_c=213 м³/с и твердого вещества G=72,9 м³/с. Характеристики, вычисленные по авторской схеме расчета, записаны в примечания таблицы 1. На последующих участках расчет производился по авторской схеме без отклонений.

Выйдя из селевого очага,  грязе-каменный поток сравнительно высокой плотности 1990 кг/м³, оказавшись в русле р. Адыл–Су с выполаживающимися уклонами от 7,2° до 2,5°, вынужден терять свою мощность, превращаясь к устью согласно расчетам (см. табл. 1) в наносоводный поток с плотностью 1520-1150 кг/м³. Убедительным свидетельством того, что грязекаменные потоки со сравнительно высокой плотностью не доходили до устья р. Адыл–­Су, по крайней мере в прошедшее столетие, является отсутствие на устьевом участке типичного селевого конуса выноса.

Населенных пунктов в долине р. Адыл–Су нет. Там находятся лишь три благоустроенных альпинистских лагеря (рис. 7) с необходимой инфраструктурой. В том, что селевой поток, продвигаясь от очага по руслу р. Адыл–Cy, теряет свою мощность, не должно добавлять оптимизма по поводу возмож­ных катастрофических разрушений. Впечатляет расчетный объем селевого потока - 2,4 млн. м³ в створе у а/л «Джан-Туган». Простой расчет показывает, что на участке от а/л «Джан-Туган» до а/л «Шхельда» протяженностью 3,2 км потери объема составят 535 тыс. м³. Учитывая, что средняя объемная кон­центрация твердого вещества на этом участке равна 0,48, то отложения селе­вой массы составят (535-0,48)=257 тыс. м³. При средней ширине долины на этом участке 80 м, слой отложений бу­дет равен одному метру. Но это при идеализированном условии равномерного покрытия.

Дно долины р. Адыл–Су со своим сравнительно небольшим уклоном –0,076 (4,9°) по существу является селевым конусом выноса, а ведь поведение селевого потока на конусе выноса непредсказуемо. И в настоящее время имеются отдельные участки долины, характеризующиеся выпуклым попе­речным профилем как у типичного конуса выноса при выходе в основную долину. В большей степени пострадают лесные массивы, находящиеся на пойменных участках долины. Вероятнее всего процесс прохождения селя будет осуществляться отдельными сериями волн, следующих друг за другом с небольшими временными промежутками. При распаде селевой массы, от­дельные участки русла могут быть закупорены отложениями. Последующие волны будут обогащаться отложениями предыдущих волн или прокладывать новые русла. Другими словами – процесс прохождения селевого потока, рас­сматриваемого гипотетического прорыва озера Башкара при движении по долине р. Адыл–Су будет сопровождаться мощными русловыми процессами. В этом случае разрушительные действия будут зависеть не только от расчетно­го уровня селевого потока, но, прежде всего и более всего, от мощности русло­вого процесса: преобразование русел и дна долины.