Аварии и катастрофы: Предупреждение и ликвидация последствий. Книга 1 - Забегаев А.В., Котляревский В.А., Кочетков К.Е.

Автор: Забегаев А.В. Котляревский В.А. Кочетков К.Е.
Теги: строительство строительные материалы строительно-монтажные работы инженерия чрезвычайные ситуации гражданская оборона безопасность жизнедеятельности аварии
ISBN: 5-87829-030-8
Год: 1995
Похожие
Аварии в строительстве
Предупреждение аварий при строительстве зданий
Аварии жилых зданий
Аварии стальных конструкций
Текст
                    АВАРИИ И КАТАСТРОФЫ
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ И ЛИКВИДАЦИЯ
ПОСЛЕДСТВИЙ
Книга 1
Под редакцией чл.кор. РИА К.Е.Кочеткова,
проф. В.А.Котляревского и проф. А.В.Забегаева
Допущено Ассоциацией строительных высших учебных
заведений в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по специальности "Промышленное и
гражданское строительство".
Издательство Ассоциации строительных ВУЗов
Москва, 1995 г.

СОДЕРЖАНИЕ
Книга 1
Предисловие
Землетрясения
Обеспечение сейсмостойкости зданий и сооружений
с подвешенными массами
Ураганы, торнадо, грозы
Наводнения
Селевые потоки
Оползни
Снежные лавины
Аварии на предприятиях, хранилищах и складах
взрыво- и пожароопасных веществ
Заторы и зажоры на реках
Пожары
Аварии на АЭС и предприятиях ЯТЦ
Аварии на предприятиях нефтегазовой и химической
промышленности
Глава 13. Взрывы конденсированных ВВ, газовоздушных,
парогазовых смесей и аэрозолей
Глава 14. Нагрузки на конструкции при взрывах
Глава 15. Сводка программ для ЭВМ по расчету сооружений
на аварийные нагрузки
Глава 1.
Глава 2.
Глава 3.
Глава 4.
Глава 5.
Глава 6.
Глава 7.
Глава 8.
Глава 9.
Глава 10
Глава 11,
Глава 12
Книга 2
Глава 16. Воздействие аварийных взрывов на городские
и другие объекты
Глава 17. Динамический расчет зданий и сооружений
по деформированной схеме
Глава 18. Динамический расчет уникальных сооружений.
Программа EFFECT
Глава 19. Расчет сооружений на аварийные ударные нагрузки
Глава 20. Расчет на статические и сейсмические нагрузки
резервуаров для хранения нефтепродуктов
и сжиженных газов
Глава 21. Методы оценки риска аварий в городах
Глава 22. Оценка устойчивости незакрепленных наземных объектов
к действию аварийных взрывов
Глава 23. Инженерные методы расчета балочных конструкций
на взрывные нагрузки
3

Глава 24. Расчет заглубленных в грунт и подземных сооружений
Глава 25. Взрывные нагрузки на заглубленные сооружения с учетом
фильтрации ударной волны через поры грунтовой среды
Глава 26. Расчет нагрузок от действия воздушных ударных волн
на конструкции численными методами газовой динамики
Глава 27. Оценка огнестойкости и теплозащитных свойств
конструкций при пожарах и взрывных воздействиях
Глава 28. Расчет противорадиационной защиты
Книга 3
Глава 29. Инженерная разведка районов аварий
и стихийных бедствий
Глава 30. Подготовка и содержание путей движения.
Оборудование переправ
Глава 31. Локализация очагов аварий
Глава 32. Восстановление поврежденных и частично разрушенных
зданий и сооружений
Глава 33. Взрывные работы
Глава 34. Добыча и очистка воды
Глава 35. Разборка завалов
Глава 36. Обеспечение радиационной (химической) безопасности
Глава 37. Поисково-спасательные работы, ликвидация последствий
схода лавин и преодоление селевых отложений
Глава 38. Борьба со снежными заносами и способы их преодоления
Глава 39. Автоматизированные системы контроля
и прогнозирования чрезвычайных ситуаций
Глава 40. Математический аппарат управления ресурсами
в чрезвычайных ситуациях

ПРЕДИСЛОВИЕ
При проектировании сооружений инженер должен предусмотреть
вероятные виды экстремальных: воздействий, которые вызывают
опасность повреждений или разрушений. Такие воздействия (их в
литературе называют "особыми") связаны с природными и
антропогенными (вызванными деятельностью людей) катастрофами и
авариями.
Катастрофой называют внезапное изменение внешних условий,
вызывающее разрушения различных объектов и угрожающее жизни
людей. Наиболее часто катастрофы связаны с опасными
природными явлениями, к числу которых относятся землетрясения,
наводнения, оползни, ураганы, селевые и снежные лавины. Большую
опасность представляют антропогенные катастрофы, к числу которых
относятся крупномасштабные пожары, аварийные взрывы, выбросы
радиоактивных и токсичных продуктов.
Авария — термин в широком смысле относящийся к конкретному
следствию катастрофы. Однако авария может характеризовать
локальный эффект. Так, на промпредприятиях аварии могут быть
следствием отклонения от нормального технического режима.
Особую опасность представляют химические, взрывоопасные
производства, атомные электростанции, склады взрывчатых и
легковоспламеняющихся веществ, боеприпасов, а также резервуары и сосуды,
предназначенные для хранения и транспортировки нефтепродуктов
и сжиженных газов. Такая опасность связана прежде всего с
вероятностью особых воздействий.
Важной инженерной задачей является умение оценить результат
возможных воздействий на конкретный объект и принять меры по
предотвращению опасных последствий. В целях повышения
эффективности предотвращения или уменьшения ущерба от аварий и
катастроф необходимо повышение профессионального уровня
инженеров и лиц, занятых в проектировании и эксплуатации различных
объектов, возводимых в районах и условиях с повышенным риском
особых воздействий.
Книга имеет своей целью заполнить пробел в литературе,
связанной с вопросами уменьшения ущерба от аварий и катастроф.
В книге дается краткое описание природных и антропогенных
катастроф. Приведены методы расчета и оценки прочности и устой-
5

чивости конструкций и сооружений при особых воздействиях как
меры предупреждения и уменьшения ущерба. Приводятся данные по
ликвидации последствий аварий и катастроф.
В книге впервые систематически изложены данные об аварийных
воздействиях природного и техногенного характера, а также об
инженерных мероприятиях по снижению ущерба от подобных
воздействий, организации аварийно—восстановительных работ в
экстремальных условиях. Рассмотрен опыт инженерного реагирования на
чрезвьгаайные ситуации на основе данных о недавних катастрофах в
Чернобыле, Армении и т.п. Изложены также вопросы
предотвращения или снижения ущерба от рассматриваемых воздействий
расчетным путем на стадии проектирования. Обобщен оригинальный и во
многом уникальный материал.
Под руководством и при авторском участии К.Е.Кочеткова
подготовлены гл.4...12, 29...38 при участии: А.А.Носача — гл.7, 11, 38,
совместно с А.А.Панченко — гл.36, с В.Ф.Константиновым и
Э.Н.Черепановым — гл.9, 37; Ю.Ф.Чернодубова — гл.4, п.30.2;
Э.Н.Черепанова — гл.6, 32, п.1.7; Г.И.Маткаева и
Э.Н.Черепанова — гл.8; В.Ф.Арефьева — гл.10; П.А.Ахременкова и В.М.Хотчен-
ко — гл.12; В.Ф.Константинова — гл.29; Ю.И.Барана — гл.35,
п.ЗОЛ; В.Ф.Арефьева и В.М.Хотченко — гл.31; А.М.Аверченко,
А.И.Дружинина и П.И.Шестаева — гл.33; С.А.Старкова — гл.34.
В.А.Котляревским подготовлены гл.2, 3, 13, 14, 16, 17, 20, 22,
23, 25, 27, п.1.1...1.4, 21.1, 24.1...24.5, совместно с
Э.Н.Черепановым — гл.5, пп.1.5, 1.6. А.А.Костиным подготовлена гл.26;
В.А.Котляревским и А.А.Костиным — гл.18, п.20.3; А.В.Забегае-
вым — гл.19; А.И.Костиным — п.21.2; В.М.Кожевниковым —
п.24.6; С.В.Ереминым и А.В.Виноградовым — гл.28;
В.А.Алексеевым — гл.39; В.Н.Федориным — гл.40. В книге использованы
материалы Ю.А.Белова, В.М.Котлякова, В.И.Тимохина и В.Г.Ходако-
ва. ,

Глава 1. Землетрясения
Землетрясения — есть колебания земной поверхности вследствие
внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней
мантии. Движение грунта при землетрясениях носит волновой характер.
Волны трех типов, — продольные, поперечные и поверхностные, —
распространяются с различными скоростями. Колебания грунта в
сейсмических волнах возбуждают колебания зданий и сооружений,
вызывая в них инерционные силы. При недостаточной прочности
(сейсмостойкости) конструкций происходят их повреждения
различной степени или разрушения.
Сейсмическая опасность при землетрясениях определяется как
интенсивными колебаниями грунта, так и вторичными факторами,
среди которых назовем: лавины, оползни, обвалы, опускание
(просадку) и перекосы земной поверхности, разжижение грунта,
наводнения при разрушении и прорыве плотин и защитных дамб, а также
пожары.
1.1. Общие положения
Для облегчения понимания сложных динамических процессов,
происходящих при землетрясениях, приведем некоторые данные,
характеризующие количественные показатели сейсмических
воздействий на здания, сооружения и систему жизнеобеспечения в городах
и населенных пунктах.
Наиболее частой причиной землетрясений является появление
чрезмерных внутренних напряжений и разрушений пород.
Потенциальная энергия, накопленная при упругих деформациях породы, при
разрушении (разломе) переходит в кинетическую, возбуждая
сейсмические волны в грунте.
Место разрушения породы называют гипоцентром или очагом
землетрясения. В зависимости от глубины Я очага, землетрясения
подразделяют на нормальные (при глубине 0...70 км),
промежуточные (70...300 км) и глубокофокусные (более 300 км).
Проекция гипоцентра на земную поверхность называется
эпицентром, а расстояние от эпицентра до некоторой точки земной
поверхности — эпицентральным расстоянием R.
Интенсивность сейсмических воздействий на различные объекты
Н + R . С увеличе-
7

нием расстояния С интенсивность уменьшается. Зону поверхности
грунта в радиусе примерно R < Н считают эпицентральной. В ней
преобладают колебания грунта вертикального направления. По мере
удаления от эпицентра усиливается влияние горизонтальной
компоненты колебаний, представляющей наибольшую опасность для
зданий.
Классификация землетрясений по величине и мощности очага по
Рихтеру ведется по шкале магнитуд. Магнитуда землетрясения М —
безразмерная величина, характеризующая общую энергию упругих
колебаний, вызванных землетрясением, которая находится в
пределах от 0,0 до 9,0.
Проявления землетрясений в тех или иных районах называют их
сейсмичностью. Количественные показатели сейсмичности содержат
интенсивность или магнитуду и повторяемость, причем
повторяемость (частота) снижается с увеличением магнитуды.
Магнитуда может быть определена через амплитуду Zm, мкм,
поверхностной волны и расстояние Л, км, до эпицентра землетрясения
по формуле
M = lgZm + l,321gfl.
Излучаемая в очаге землетрясения энергия Е, эрг, связана с маг-
нитудой по формуле
lg Е = аМ + Ъ,
где для сильных землетрясений а = 1,5; Ь = 11,8, а для слабых —
а = 1,8; 6 = 11. Например, при землетрясении с М = 5,5 но шкале
Рихтера Е « 1020 эрг.
Связь между М и длиной разрыва L, км, на поверхности земли в
среднем определяется соотношением
M = 6,03 + 0,761gL.
Повторяемость землетрясений, по Гутенбергу и Рихтеру,
определяется формулой
/(м) = о,ехр(-Ь,М),
где /(м) — функция плотности вероятности магнитуды в данном
объеме земной коры; а}, Ъх — региональные константы.
Для оценки повторяемости сильных землетрясений применяют
модель Пуассона. Вероятность P(N,t) появления N сильных
землетрясений в течение временного интервала t определяется в
зависимости от среднего числа X сильных землетрясений в единицу
времени по формуле
P(/V,0 = {Xt)N exp(-te)/w!, N = 0,1,2"... А* > 0.

Вероятность того, что не произойдет ни одного землетрясения
P(0,0 = exp(-ta),
и оценка сейсмического риска для периода t
Я = 1 - P(0,t) = 1 - exp(-ta).
Например, если в конкретном районе происходит в среднем три
сильных землетрясения за 100 лет (X = 0,03), то вероятность
одного такого землетрясения в течение t = 10 лет равна
Р(1,10) = (0,03•10)1ехр(-0,03- 10)/l!« 0,22.
Вероятность того, что за 10 лет не произойдет ни одного
сильного землетрясения, равна Р(0,10) = ехр(-0,03-10) = 0,74. Оценка
сейсмического риска Я = 1 - 0,74 = 0,26.
Интенсивность землетрясений на поверхности земли оценивается
по 12-балльной шкале, согласно ГОСТ 6249-52. ЮНЕСКО
рекомендовано использовать близкую международную шкалу MSK —
1964. В настоящее время в России используется рекомендованная
Бюро межведомственного совета по сейсмологии и сейсмостойкому
строительству (МСССС) АН РФ, так называемая шкала ИФЗ,
положенная в основу норм "Строительство в сейсмических районах" —
СНиП 11—7—81. Шкалы ИФЗ, MSK, а также американская
модифицированная шкала Меркалли ММ и европейская шкала Меркал-
ли-Конкани-Зиберга близки между собой.
Интенсивность землетрясения (сейсмическая интенсивность или
балльность) характеризует силу землетрясения, которая зависит от
расстояния, убывая от эпицентра к периферии. В пределах 6...9
баллов по шкале ИФЗ интенсивность землетрясений
устанавливается по параметрам колебаний на поверхности земли (табл. 1.1).
Интенсивность сотрясений J на конкретной площадке
строительства по 12-балльной шкале может быть определена в зависимости
от магнитуды землетрясения М, расстояния Я до эпицентра,
глубины очага Я, км, и региональных констант а3, Ь3, с3 по формуле
/ = а3 + ЪЪМ - с3 lg л/R2 + Я2 ,
причем для России константьь имеют значения а3 = 3; Ь3 = 1,5;
с3 = 3,5.
Сейсмический риск определяют с учетом сотрясений расчетной
интенсивности от всех очагов вблизи площадки расположения
объекта.
9

Таблица 1.1. Параметры максимумов колебаний поверхности
земли, соответствующие интенсивности землетрясений
Интенсивность
в баллах
6
7
8
9
Ускорение
грунта, см/с2,
при периоде
Т>0,1 с
30...60
61...120
121...240
241...480
Скорость
колебаний
грунта, см/с
3,0...6,0
6,1...12,0
12,1...24,0
24,1...48,0
Смещение 1
маятника
сейсмографа,
мм
1,5...3,0
3,1...6,0
6,1...12,0
12,1...24,0
Для конкретной строительной площадки риск сотрясения с
интенсивностью /, не превышающей некоторого значения /*, за
временной интервал t определяется по формуле
R = 1-Р[/(0<Л].
В табл. 1.2 приведена классификация землетрясений по
различным параметрам, а в табл. 1.3 — соотношение между магнитудой и
интенсивностью землетрясения в эпицентре. Для приближенной
оценки интенсивности землетрясения в эпицентре рекомендуются
соотношения:
для землетрясений с внутрикорковым очагом
/ = М + 2,5 ;
для землетрясений с очагом в мантии
J = M+ 1,5.
В нормах расчетная сейсмичность фиксируется картой
сейсмического районирования с указанными балльностями сотрясений и
повторяемостью. Для 7, 8 и 9 баллов регламентированы соответственно
максимумы ускорения 100, 200 и 400 см/с2, что отвечает
коэффициентам сейсмичности 0,1; 0,2 и 0,4 — долям ускорения
силы тяжести g. В нормах ряда зарубежных стран нормирование по
фиксированной величине ускорения трактуется как эффективный
максимум ускорения.
Были предложены различные эмпирические зависимости
максимумов ускорений ат от параметров М и R. Так, для больших
расстояний от очага в сравнении с его размером по Давенпорту
ат = 0,279^ •ехр(0,8М)/7?1'64.
СНиП 11—7—81 предоставляет возмояшость оценки
сейсмостойкости ответственных сооружений по имеющейся записи
колебаний грунта от прошлых землетрясений. Наиболее представи-
10

тельной является запись изменений со временем ускорений,
называемая акселерограммой. Хроническая ограниченность подобной
информации приводит к необходимости при прогнозировании
возможных последствий землетрясений использовать искусственные
(синтезированные) акселерограммы, как реализации нестационарного
процесса со спектральными характеристиками, полученными
обработкой имеющихся записей прошлых землетрясений.
Таблица 1.2. Классификация землетрясений
Характеристика.
землетрясения
Планетарного масштаба
Сильное:
регионального масштаба
локального масштаба
Среднее
Слабое местное
Магнитуда
М
8
7...8
6...7
5...6
4...5
Балльность
/
11...12
9...10
7...8
6...7
5...6
Среднее 1
число в год
1...2
15...20
100...150
750...1000
5000...7000
Таблица 1.3. Соотношение между параметрами Ми/
Магнитуда М
7у2<М<872
672<М<772
572<М<672
472<М<57г
|' 37г<М<472
Интенсивность J 1
при глубине очага Н, км |
5
10
9...10
7...8
5...6
15
10
9...10
7...8
5...7'
4...5
45 1
9...10
7...8
5...7
4...5
2...3
Максимумы ускорений грунта имеют значительный разброс, т.е.
единственный параметр акселерограммы — глобальный экстремум —
недостаточен для исчерпывающей характеристики землетрясения.
Более подходящей величиной является размах ускорений Zp, т.е.
разница между наибольшим и наименьшим значениями ускорений
по акселерограмме.
Подходу, в котором интенсивность сейсмического воздействия
определяется единственным параметром, можно придать
статистический смысл, используя в качестве ат величину стандарта а
сейсмических ускорений (А. Петров).
11

Так, имея акселерограмму, т.е. закон изменения ускорения во
времени Z(t), можно записать выражение для интенсивности
сотрясения
J = j(z(t)fdt
о
и перейти к стандарту ускорения по формуле а2 = J/x,
где т — длительность интенсивной фазы землетрясения.
При 15<Л<100 км в диапазоне магнитуд 5,6<М<7,2 установлено
среднее значение т = 9 с и стандарт стт > 6 с, т.е.
т = т" + ах^15с. Это значение соответствует модели сейсмического
воздействия как нестационарного процесса.
По результатам статистической обработки данных записей
ускорений по горизонтальным компонентам при сильных
землетрясениях получена корреляция между J и максимумами ускорений
грунта, которая приводит к следующей аппроксимации для
стандарта сейсмических ускорений грунта
а = 7,5^[(Л + 40)Л/тй"]"1ехр(0,4М).
С помощью этого соотношения величина Zm в нормах может
быть заменена на а, что обеспечивает связь расчетного параметра
сейсмического воздействия с характеристиками землетрясения М, т
и расстоянием R до эпицентра.
Сейсмическое районирование заключается в том, что сейсмически
опасные районы разделяют на зоны с одинаковым сейсмическим
воздействием. Карты сейсмического районирования приведены в
нормах. Там же содержится список населенных пунктов РФ,
расположенных в сейсмических районах, с указанием принятой для
них сейсмичности в баллах и повторяемости землетрясений.
Указаны также пункты с сейсмичностью 9 баллов в зонах возможного
возникновения очагов землетрясений (зонах ВОЗ) с магнитудами
7Д и более. Землетрясения с такими магнитудами могут вызвать на
поверхности земли остаточные (необратимые) деформации, обвалы,
оползни, сели и другие разрушительные процессы при
катастрофической интенсивности воздействия более 9 баллов.
В табл. 1.4, 1.5 дано распределение площадей зон различной
интенсивности и дифференциация зон по трем категориям различной
вероятности землетрясений в ближайшие 50 лет: 1-й категории —
0,5, 2-й категории — 0,05, 3-й категории — 0,005, что соот-
12

ветствует повторяемости сотрясений по интервалам времени 100,
1000 и 10000 лет.
Таблица 1.4. Зоны различной интенсивности сейсмических
воздействий
Регион
Алтай и Саяны
Восточная Сибирь
Якутия и район Магадана
Чукотка
Камчатка и Командорские острова
Курильские острова
Сахалин
Приморье
[ Крым
Площадь (тыс. кв. км) 1
при интенсивности в баллах |
6
330
738
903
114
148
30
155
11
7
176
820
233
26
63
46
9
з
8
96
187
124
53
1
9и I
более
17
182
41
16
1 =
1.2. Статистическое моделирование
сейсмических воздействий на здания
и сооружения
Сейсмические волны, распространяющиеся в грунтовом массиве
при землетрясении и взаимодействующие с сооружениями,
представляют нестационарный случайный процесс, образуемый семейством
(ансамблем) реализаций с определенными статистическими
свойствами, зависящими от макросейсмических параметров
землетрясения.
Для ответственных сооружений нор*чами предусмотрен расчет на
особые сочетания нагрузок с учетом сейсмических воздействий, в
качестве которых следует использовать инструментальные записи
ускорений оснований при землетрясениях, а также синтезированные
акселерограммы. В этих целях для анализа поведения конструкций
при сейсмических воздействиях наиболее эффективным является
метод статистического моделирования (Монте-Карло) при
генерировании на ЭВМ ансамбля реализаций со статистическими
характеристиками, получаемыми специальной обработкой имеющихся записей
(в условиях ограниченности информации).
При статистическом моделировании в целях контроля прочности
сооружения выполняют его многократный динамический детермини-
13

стический расчет на действие реализаций ансамбля с обработкой
данных по параметрам движения и напряженно-деформированного
состояния элементов объекта. Далее проводят оценку показателей
риска относительно сейсмического воздействия. Поскольку эти
показатели должны быть малыми, статистическое моделирование
применяют для оценки показателей условного риска, т.е. вероятности
возникновения разрушений при заданном конкретном воздействии (час-,
тоте события выброса за пределы области допустимых состояний).
Таблица 1.5. Дифференциация зон интенсивности по трем
категориям различной вероятности землетрясений
Регион
Алтай и Саяны
Восточная Сибирь
Якутия
Чукотка
Камчатка и
Командорские острова
Курильские острова
Сахалин
Приморье
| Крым
Площадь (тыс. кв. км) при интенсивности 1
в баллах
7
1
63
2
171
388
90
26
46
9
3
3
5
502
143
8
1
53
2
96
173
18
1
3
14
106
9 1
1
41
16
2
182
3
17
Вводят функцию риска H(t) как дополнение функции
безопасности S(t) до единицы "*
H(t) = l-S(t), S(t) = P{v(i) gQs,t e[0,t]},
где S(t) — вероятность случайного события, которое заключается в
том, что в интервале [0,£] не возникает условий, приводящих к
разрушению; v — вектор типа вектора качества в теории надежности;
£ls — область безопасности, включающая допустимую область по
предельным состояниям.
Если H(t) не очень малая величина, то при статистическом
моделировании из N испытаний (расчетов) допустима оценка для H(t)
на отрезке [0,t]
H(t) = n(t)/N,
14

где n(t) — число испытаний (расчетов), в которых прочностные или
деформационные параметры объекта вышли за пределы допустимой
области по предельным состояниям.
Предельно допустимое значение риска #* назначают с учетом
ответственности объекта, а также некоторой неопределенности
исходной информации (свойства грунтов, геология). Изменчивостью
характеристик объекта по сравнению с изменчивостью сейсмических
нагрузок в большинстве случаев можно пренебречь.
Предлагались различные модели математического описания
колебаний грунта при землетрясениях. Широкое распространение
получила модель В.Болотина, основанная на представлении ускорений Z
в форме, позволяющей учесть изменение со временем спектрального
состава колебаний,
z{t\s) = YLk{t\^Ms), (1.1)
к
где s — вектор, характеризующий интенсивность сотрясения,
спектральный состав, продолжительность, интенсивной фазы (зависит от
макросейсмических параметров, местных геологических и грунтовых
условий); Ьъ — квазиогибающие, характеризующие медленное
изменение амплитуд во времени на отрезке 0 преобладающих периодов
сотрясения, и нулевые вне отрезка длительности сотрясения 0; фЛ
стационарные случайные функции времени, характеризующие
спектральный состав сотрясения, с нулевым математическим ожиданием
и единичной дисперсией.
Одночленное приближение для (1.1) соответствует допущению о
возможности пренебречь изменением спектрального состава. Такой
подход применим для аппроксимации нестационарных случайных
процессов, близких к стационарному (с медленно меняющейся
дисперсией). В этом случае рассматриваемая модель представляет
стационарный случайный процесс (рк с фиксированным спектром,
модулированный некоторой детерминированной квазиогибающей
Ф)
Z(t) = r\qL(tMt), (1.2)
где г\ — единичная функция Хевисайда, q — нормирующий
множитель.
Метод статистического моделирования, основанный на
представлении (1.1) или (1.2), позволяет получать нужное число
реализаций путем умножения генерируемых стационарных случайных
функций (со спектральными характеристиками, соответствующими
записям прошлых землетрясений) на детерминированные функции
15

L. Таким образом (1.1) или (1.2) используется при анализе, а
затем при синтезе акселограмм, причем анализ проводится с учетом
гипотезы об эргодичности стационарного процесса, что позволяет
усреднение по множеству реализаций заменить усреднением по
времени единственной акселограммы.
Для детерминированных прочностных расчетов на ЭВМ
применяют программы, в которых учитываются нелинейные эффекты.
Описание некоторых таких программ для ЭВМ ЕС приведено в
главе 28.
Ниже приведены данные программы GAMMA, основанной на
представлении (1.2), выполняющей на ЭВМ дискретный анализ
реальной записи в виде временного ряда, а затем генерирование
реализаций случайного нестационарного процесса с использованием
метода канонических разложений, быстрого преобразования Фурье
(БПФ) и сплайн-интерполяции без ограничений на вид
аппроксимируемых функций.
Программа сглаживает и балансирует исходный ряд, выделяет и
аппроксимирует квазиогибаюшую и стационарную часть процесса.
Стационарный процесс сглаживается косинусным окном, а затем
выполняется анализ Фурье, вычисление амплитудного и фазового
частотных спектров, первичной оценки спектральной плотности,
сглаживание на смежных частотах, вычисление дисперсии,
окончательно сглаженной оценки спектральной плотности и среднеквадра-
тических отклонений по частотам. Далее выполняется цикл по
заданному числу реализаций с синтезом нестационарных процессов —
акселерограмм. В каждом таком цикле выполняется цикл по
частотам спектра — генерирование (с использованием полученных средне-
квадратических отклонений) гауссовых случайных величин
(амплитуд) и синтез Фурье стационарной части процесса. Производится
сглаживание косинусным окном, удаление среднего и синтез
нестационарного процесса с балансировкой и записью на МД.
Необходимость в сглаживании и балансировке временного ряда
возникает вследствие неточностей при оцифровке, а также
систематических ошибок, вносимых аппаратурой при регистрации процесса
(например, "дрейфом нуля") и прочих случайных причин. Наличие
погрешностей (трендов) может приводить к заметному разбалансу
интеграла возмущения по времени к некоторому моменту U
"успокоения" колебаний почвы.
Сглаживание рядов осуществляется локальным методом
наименьших квадратов многочленом третьей степени по пяти точкам.
Балансировка ряда Z(t) выполняется при сплайн-аппроксимации
16

функций, если имеется разбаланс скорости Z(u) к "концу"
воздействия
и
Jz(0* = Z(fc)s51 *0
о
и (или) несоответствие разбаланса перемещения Z(u) заданной
величине Z0. В этом случае исходный массив Z балансируется
исключением низкочастотного тренда у в форме кубического полинома
ZH = Z - у, у = at + Ы2 + ct3. Коэффициенты полинома
получаются из условий у (о) = 0, у {и) = О,
8j = \y{t)dt, 52 = J jz{t)dt № = Z0 + J Jy(*)ctt ft,
о ovo J 0V0 J
a = 60t*3\82-Z0--5}U
Ъ = 180**~4
2 0 jg 1
с = 120йГ5( 52 - Z0 - -5^* J.
Если задана скорость Z(t), а к моменту £ = £*, в который
полагается Z(fc) = 0, имеется разбаланс по перемещению 52
и
52 = JZ(*)#*Z0,
о
то табличная функция преобразуется к ZH
ZH =Z-yv,yv = t2(b + ct\ b = -cU = 12(52 -Z0)C\
причем у ДО) = ую(0) = yv(u) = 0.
Для выделения квазиогибающей L(f) ряд А, представляющий
акселерограмму, разбивается на N2 интервала с шагом по времени
Я, на которых содержится NN квантов Н. На каждом у-м интервале
производится усреднение по времени, т.е. определяется средний
— 2 /— о
квадрат ускорения a,j , и величины Jaj вместе с начальным
значением A(l) заносятся в массив огибающей L, элементы которого
отнесены соответственно к центрам интервалов и к началу ряда t=0.
Производится сплайн-аппроксимация огибающей, а затем выделение
17

стационарного процесса (р делением элементов А на
интерполированные значения огибающей. В результате имеем cp(t) со средним
квадратом q) (t) = I и спектральной плотностью S(co) , причем
оо
js(a)cfo = 1.
о
При выборе N2 длительность интервала должна быть велика в
сравнении с характерным временем корреляции процесса ср, но на
интервале свойства процесса не могут меняться существенно и
функция ф должна удовлетворять условиям стационарности.
Для получения первичной оценки спектральной плотности
методом БПФ временной ряд из N0 элементов на начальном временном
интервале Т0 = Н(М0 - l) сглаживается 1/10 косинусным окном.
Дискретное прямое преобразование Фурье производится процедурой
FFT. Числовой ряд при этом должен содержать 2м элементов (м —
целое число), а для хранения коэффициентов Фурье требуется
2^+2 полей памяти. Подбирается значение ж и из ряда (р.
формируется массив Aj с ближайшим к Nq+2 числом элементов
/V] + 2 = 2м + 2 > N0 + 2, причем добавленные сверх числа N0
элементы заполняются нулями. В результате работы FFT вычисляются
коэффициенты Фурье Xj (j = 1,2... Nj). Фиксируется временной
интервал Т = (Nl-l)H с учетом добавленных нулей, частотный
интервал Дсо = 2я/7\ частота среза сос = л/Я, частотный спектр
<йк = К-Аа (K = l,2...N = Nl/2).
Амплитудный частотный спектр А3(ык) вычисляется через
коэффициенты Фурье:
Ая(п1) = Х1 , As(coN) = XNi ,
Первичная оценка спектральной плотности S(®k)
корректируется коэффициентом р = 1/0,875, чтобы восстановить потерю
дисперсии при косинусном сглаживаний
5(ш]) = рХ,2/Асо, 5ft^5((Dk) = 2p|4(a)k)|2/Affl) (K>l)
Окончательно сглаженная оценка спектральной плотности
получается осреднением первичной оценки на М} смежных частотах
(Е — нормированная ошибка)
18

Sk = {sk+Sk+l+...+Sk+Mi_])/Ml ,M}=E~2.
Для генерирования стационарного процесса используется частный
случай канонического разложения — разложение случайного
процесса в ряд Фурье
N
ф(0 = ^о + Т,(ик cgsojA + Vk sinco^f),
где N — учитываемое число частот сок в спектре, U0,Uk,Vk —
некоррелированные гауссовы случайные величины с вероятностными
характеристиками (среднее <•> и дисперсия а2)
Ы = (Uk) = iVk) = О; 4 = S0 Аш/2, а| = SkAv> -
С использованием параметров квазиогибающей и распределения
дисперсий генерируется заданное число реализаций нестационарного
процесса. Для получения реализаций ср используется синтез Фурье,
причем гауссовы числа генерирует датчик случайных чисел.
Нестационарные реализации образуются умножением ср на
интерполированные значения огибающей L. Результаты каждого
цикла генерирования после сглаживания и балансировки
записываются на внешние носители ЭВМ, образуя банк данных сейсмической
информации, для дальнейшего использования в методе
Монте-Карло.
На рис. 1.1... 1.3 приведен пример обработки программой
GAMMA акселерограммы землетрясения Эль-Центро (усеченный
временной ряд с /V0 = 961, Н — 0,02 с) с одной из синтетических
реализаций генерированного нестационарного процесса.
1.3. Последствия сейсмического воздействия
на здания и сооружения
Последствия воздействия землетрясений оценивают по шкале,
одобренной Бюро МСССС (1973 г.), согласно которой здания и
сооружения классифицируют по трем типам:
А — здания из рваного камня, сельские постройки, дома из
кирпича-сырца, глинобитные дома;
Б — кирпичные дома, здания крупноблочного типа, здания из
естественного тесанного камня;
В — здания панельного типа, каркасные железобетонные здания,
деревянные дома хорошей постройки.
19

180
О W-^
-180-\
-зео
%9 алг/с
Ц^Щ^ЧЧ^-КР^^
40А
-40Л
Z.y СЛ€/С
12 Н
-12 Н
-24
0,2
0,G
0,8 t/T0 lrO
Рис. 1.1. Исходная акселерограмма Z(t), велосиграмма Z[t) и
сейсмограмма Z(t), полученные интегрированием функции Z\t)
Степени повреждений зданий и сооружений приняты
следующими:
1 - легкие повреждения: тонкие трещины в штукатурке и
откалывание небольших кусков штукатурки;
2 - умеренные повреждения: небольшие трещины в стенах,
откалывание довольно больших кусков штукатурки, падение
кровельных черепиц, трещины в дымовых трубах, падение частей
дымовых труб;
20

210-yL, см/с2
105
0,07
^0
30
У4^
0,8 t/T0 1,0
S, с
30 CO, р/с 60
Рис. 1.2. Квазиогибающие L (t) акселерограммы при усреднении на 10
(кривая 1), 20 (2) и 40 (3) участках и соответствующие оценки
спектральной плотности S(co ) стационарной части процесса

360 -i Z, см/с
180 A
180
i/Mi^A'-v
°'4 °>6 0,8 t/T0 1,0
Рис. 1.3. Пример синтетической акселерограммы Z\t), генерированной
программой GAMMA, соответствующих скоростей Z\t) и перемещений
Z(t), полученных интегрированием функции Z\t)
22

3 — тяжелые повреждения: большие, глубокие и сквозные
трещины в стенах, падение дымовых труб;
4 — разрушения: обрушения внутренних стен и стен заполнения
каркаса, проломы в стенах, обрушение частей зданий, разрушение
связей между отдельными частями здания;
5 — обвалы: полное разрушение зданий.
Приведем описание разрушений зданий и сооружений,
соответствующих различной балльности землетрясений:
6 баллов. Повреждения 1 степени в отдельных зданиях типа Б и
во многих зданиях типа А; в отдельных зданиях типа А
повреждения 2 степени.
7 баллов. Во многих зданиях типа В повреждения 1 степени и в
отдельных — 2 степени. Во многих зданиях типа А повреждения 3
степени и в отдельных — 4 степени. Трещины в каменных оградах.
8 баллов. Сильные повреждения зданий. Во многих зданиях типа
В повреждения 2 степени и в отдельных — 3 степени. Во многих
зданиях типа Б повреждения 3 степени и в отдельных — 4 степени.
Во многих зданиях типа А повреждения 4 степени и в отдельных -
5 степени. Памятники и статуи сдвигаются. Надгробные памятники
опрокидываются. Каменные ограды разрушаются.
9 баллов. Всеобщие повреждения зданий. Во многих зданиях
типа В повреждения 3 степени и в отдельных — 4 степени. Во многих
зданиях типа Б повреждения 4 степени и в отдельных — 5 степени.
В большинстве зданий типа А повреждения 5 степени. Памятники и
колонны опрокидываются.
10 баллов. Всеобщие разрушения зданий.
11 баллов. Катастрофа.
12 баллов. Изменения рельефа.
Анализ последствий землетрясений показывает, что здания
различной конструкции получают следующие повреждения, если
сейсмические воздействия превышают расчетные (для зданий,
запроектированных с учетом требований СНиП 11—7—81) или здания не
имели антисейсмических усилений (по данным А.Мартемьянова).
В каркасных зданиях преимущественно разрушаются узлы
каркаса. Особенно сильные повреждения получают основания стоек и
узлы соединений ригелей со стойками каркаса, если размеры
последних недостаточны и если они не имеют усилений в виде вутов.
Отсутствие вутов в ригелях рамы приводит к разрушению узлов и к
искажению формы здания, а иногда — его обрушению.
23

Разрушение стоек происходит в сечении у фундаментов, реже —
у ригеля. Арматура выпучивается наружу, бетон по всему сечению
дробится, а стойки укорачиваются.
В малоэтажных зданиях, если стены расположены вплотную
снаружи стоек каркаса и опираются на фундаментные балки, в
результате соударений в стенах появляются трещины, а иногда они
полностью разрушаются.
В крупнопанельных и крупноблочных зданиях наиболее
ответственными являются места стыковых соединений панелей и блоков
между собой и с перекрытиями. Когда связи стыковых соединений
недостаточны, отмечаются случаи взаимного смещения панелей,
раскрытия вертикальных стыков, отклонения панелей и даже их
обрушение.
Крупноблочные здания перенесли сильные землетрясения в
Петропавловском-Камчатском в 1959 и 1971 г.г., где сила
землетрясения была более 7 баллов, но здания не были разрушены, получив
повреждения в виде трещин.
В зданиях с несущими каменными стенами возникают: косые и
Х-образные трещины в простенках и глухих стенах; вертикальные
трещины — в местах сопряжения продольных и поперечных стен
(возможно выпадение стен наружу); трещины в местах заделки
железобетонных перемычек. Возможны сдвиг железобетонных
перемычек, а также повреждение антисейсмического пояса.
В зданиях с несущими стенами из местных материалов
(сырцовый кирпич, глиносаманные блоки и др.) разрушения носят
катастрофический характер. Особо низкой устойчивостью обладают
печи и дымовые трубы, разрушение которых часто вызывает
пожары.
В деревянных зданиях (рубленных, сборно-щитовых, каркас-
но-заборных) ^повреждения стен при землетрясениях незначительны.
Характерные повреждения в рубленных домах — щели в углах, в то
время, как каркасно-щитовые здания повреждаются более сильно.
В каркасно-заборных домах из-за перекоса короткие бревна
выходят из пазов, и во многих домах происходит выпадение стен.
Наиболее существенные повреждения деревянных домов
происходят при сдвиге по цоколю, причем значительно повреждаются
отопительные системы. Степень их повреждения в Байкальском
землетрясении 1959 г. в некоторых населенных пунктах составила
100% дымовых труб, 15% всех печей и свыше 10% всех плит.
Конструкции зданий можно расположить по убывающей
сейсмостойкости в такой последовательности: каркасные здания, крупнопа-
24

нельные, деревянные рубленые и сборно-щитовые, здания с
несущими каменными стенами, здания со стенами из местных материалов.
L4. Воздействие на поверхность земли и
некоторые инженерные сооружения
Общее действие землетрясений различной балльности на
поверхность земли и некоторые инженерные сооружения следующее:
6 баллов. В немногих случаях оползни, на сырых грунтах
возможны видимые трещины шириной до 1 см, в горных районах
отдельные случаи оползней. Возможны изменения дебита источников
и уровня воды в колодцах.
7 баллов. В отдельных случаях оползни проезжей части дорог на
крутых склонах и трещины на дорогах. Нарушения стыков
трубопроводов. В отдельных случаях изменения дебита источников и
уровня воды в колодцах. В немногих случаях возникают новые или
пропадают существующие источники воды. Отдельные случаи
оползней на песчаных или гравелистых берегах рек.
8 баллов. Небольшие оползни на крутых откосах выемок и
насыпей дорог, трещины в грунтах достигают нескольких сантиметров.
Возможно возникновение новых водоемов. Во многих случаях
изменяется дебит источников и уровень воды в колодцах. Иногда
пересохшие колодцы наполняются водой или существующие иссякают.
9 баллов. Значительные повреждения берегов искусственных
водоемов, разрывы частей подземных трубопроводов. В отдельных
случаях — искривление рельсов и повреждение проезжих частей
дорог. На равнинах наводнения; часто заметны наносы песка и ила.
Трещины в грунтах достигают 10 см, а по склонам и берегам -
свыше 10 см. Кроме того, большое количество тонких трещин в
грунтах. Частые оползни грунтов, обвала горных пород. На
поверхности воды большие волны.
10 баллов. Опасные повреждения плотин и дамб. Серьезные
повреждения мостов. Искривление железнодорожных рельсов. Разрывы
или искривления подземных трубопроводов. Дорожные покрытия и
асфальт образуют волнообразную поверхность.
Трещины в грунте шириной несколько десятков сантиметров и в
некоторых случаях до одного метра. Параллельно руслам водных
потоков появляются широкие разрывы. Осыпание рыхлых пород с
крутых склонов. Возможны большие оползни на берегах рек и
крутых морских побережьях. В прибрежных районах перемещаются
песчаные и илистые массы. Выплескивание воды в каналах, озерах,
реках. Возникновение новых озер.
25

11 баллов. Серьезные повреждения мостов, плотин и
железнодорожных путей. Шоссейные дороги приходят в негодность.
Разрушение подземных трубопроводов.
Значительные деформации почвы в виде широких трещин,
разрывов и перемещений в вертикальном и горизонтальном
направлениях. Многочисленные горные обвалы.
12 баллов. Изменение рельефа местности. Сильное повреждение
или разрушение практически всех наземных и подземных
сооружений. Радикальное изменение земной поверхности. Наблюдаются
значительные трещины в грунтах с обширными вертикальными и
горизонтальными перемещениями. Горные обвалы и обвалы берегов рек
на больших площадях. Возникают озера, а иногда водопады.
Изменяются русла рек.
При землетрясениях интенсивностью 8 и более баллов возможно
возникновение пожаров, поскольку разрушаются печи, падают
бытовые нагревательные приборы и происходит замыкание
электропроводки. Особенно опасно образование искр от ударов или
коротких замыканий в нефте- и газохранилищах.
Вторичные пожары возникают в результате повышенной плотно?
ста застройки городов, нарушения или отсутствия системы тушения
пожаров, большого количества сгораемых материалов в
конструкциях зданий, паники населения и неблагоприятной погоды.
Риск массовых пожаров может быть значительно снижен при
заблаговременном оборудовании на объектах резервуаров с водой и
современных насосных установок с электропитанием от
передвижных электростанций. За рубежом практикуется применение
резервуаров с водой под улицами вблизи пожароопасных объектов.
Количество вторичных пожаров при высокой плотности застроит
ки города сгораемыми зданиями может во много раз повысить число
первичных пожаров. При этом убытки от пожаров могут на много
превысить убытки от механических повреждений и разрушений.
7.5. Нарушение функций систем
жизнеобеспечения
При землетрясениях интенсивностью 6...8 баллов получают
повреждения различной степени, а более 8 баллов практически
парализуются на длительное время все элементы системы
жизнеобеспечения (снабжение водой и газом, энергоснабжение, теплоснабжение,
связь, транспорт и др.). Особенно страдают от землетрясений
системы жизнеобеспечения городов и населенных пунктов, имеющих
высокую степень электрификации, поскольку вследствие разрушений
26

зданий и корпусов ГРЭС и ТЭЦ происходят аварии, приводящие к
выходу из строя генераторов. Из-за подвижки и падения
трансформаторов, стоящих на рельсовых и стационарных опорах, происходят
разрывы высоковольтных и низковольтных вводов и шин,
разрушения фарфоровых изоляторов, разрядников и воздушных
выключателей.
В результате подвижки грунта и смещения опор разрушаются
воздушные и кабельные линии, в том числе троллейбусные и
трамвайные контактные сети. Указанные повреждения приводят к
отключению энергосистемы или обесточиванию отдельных
потребителей энергии.
Возможные объемы разрушений объектов энергосистемы района
землетрясения в зависимости от его интенсивности приведены в
табл. 1.6 (при землетрясении 10,5 балла 20% электрических и
трансформаторных подстанций разрушаются полностью; данные по
землетрясениям свыше 10,5 балла отсутствуют).
ь На контактных троллейбусных и трамвайных линиях происходит
обрыв проводов и креплений. Обрыв креплений большей частью
происходит в районах плотной застройки в результате разрушения
зданий, в которых они установлены. Аналогичные разрушения (а
также обрыв кабелей) происходят на системах связи и
радиотрансляционной сети. По опыту землетрясения в Армении, на
7... 10 дней прерывалось телевизионное вещание по всем
программам в городах и населенных пунктах зоны с интенсивностью б и
более баллов.
Характер и объемы повреждений и разрушений системы
водоснабжения городов и населенных пунктов зависят от
конструктивного исполнения и типа водозабора (из открытых водоемов,
артезианских скважин и др.). К числу характерных повреждений следует
отнести: разрушение водоводов, водозаборов, разрывы водопроводов
на магистральных и разводных сетях, разрушение
распределительных колодцев. При этом на магистральных водопроводах может
быть при 10 баллах 20...30 разрывов на 100 км, а на разводных
водопроводных сетях — до 150 аварий на 100 км. Разрывы и аварии
происходят в результате подвижек грунта и разрушения зданий.
Канализационно-очистные сооружения выводятся из строя
полностью при 8 баллах и выше в результате механического разрушения
и обесточивания насосов. Канализационные сети из керамических,
асбоцементных и бетонных труб получают до 50% повреждений в
виде разрывов и локальных разрушений труб, а также разрушений
технических колодцев и стыков.
27

Таблица 1.6. Объемы разрушений объектов
энергоснабжения при балльности землетрясений 6... 10
Объекты системы
энергоснабжения
Электрические
подстанции
Трансформаторные
подстанции
1 Воздушные линии:
высоковольтные
низковольтные
1 Распределительные
| пункты
1 Подземный кабель:
6...10кВ
1 0,4 кВ
Объемы разрушении
(повреждений), %, при
интенсивности
землетрясения, баллов
6
15
10
5
—
-
7
25
20
15
12
—
-
8
86
29
32
27
10
10
10
9
100
37
45
53
20
15
32
10
100
52
70
84
44
31
57
Характерные 1
разрушения
(повреждения)
Повреждения (разруше- 1
ния) высоковольтных
порталов, разрушение
изоляторов; выход из
строя автоматики и
пультов управления,
релейной защиты в
результате короткого
замыкания, разрушение
разрядников и выключателей.
Разрыв вводов, шин, 1
разрушение изоляторов,
обрыв проводов.
Разрушение опор,
разрушение изоляторов,
разрыв проводов.
Механические
повреждения, обрыв проводов.
Пробои в кабелях,
разрыв кабелей,
повреждения разъемов.
Из-за разрушения зданий получают различной степени
повреждения технические сооружения системы газоснабжения городов и
населенных пунктов, включающие газовые распределительные и
шкафные регуляторные пункты. Воздушные газопроводные линии
низкого давления получают разрушения, и возникают аварии,
аналогичные водопроводным. При этом повреждается до 30%
газопровода низкого давления.
Подземные газопроводные линии, как правило, получают
деформации, но остаются в рабочем состоянии.
Аварии газопроводов в здании вызывают сильную загазованность
помещений и подвалов, что представляет опасность отравления
людей, взрыва газовоздушной смеси и разрушений. Уровень давления
ударной волны газового взрыва в помещениях может достигать
28

0,7...0,8 МПа, однако, указанный максимум соответствует смеси,
более обогащенной, чем стехиометрического состава.
Загазованность помещений зависит от мест разрушений
газопроводов и объема утечки газа (натекания в замкнутые объемы).
Обычно время утечки достаточно велико, чтобы произошло
перемешивание составных частей газовоздушной смеси. Тем не
менее в различных местах объемов подвалов и помещений
концентрация газа бывает различной. Таким образом, даже если осредненная
по объему концентрация выброса будет меньше нижнего предела
воспламенения, существуют зоны с локальной концентрацией в
интервале пределов воспламенения. Отсюда следует, что опасность
пожара и взрыва существует на любой стадии утечки газа и в
небольших объемах.
Для легких газов опасный объем возникает вблизи крыш зданий,
для тяжелых — вблизи полов первых этажей и в подвалах. Обычно
концентрация достаточно быстро выравнивается, если утечка
происходит внизу объема. Поэтому, если утечка происходит вблизи пола,
однородная концентрация устанавливается вскоре по всему объему
помещения.
При взрывах газовоздушных смесей в помещениях в большинстве
случаев происходит разрушение конструкций зданий, неспособных
выдерживать указанные выше высокие избыточные давления.
Исключение могут составлять специальные здания взрывоопасных
производств, оборудованные легкосбрасываемыми элементами и
усиленными несущими конструкциями.
Расчетный объем В взрывоопасной смеси при аварийном
истечении горючих газов и легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ)
определяется по формуле
В = Ъ5Е/С, м3,
• где Е — количество вещества, поступившего в помещение, в виде
суммы Е = Еа + Ет + Еи (Еа — из поврежденных аппаратов, Ет —
из трубопроводов, Еи — от испарения при проливе, г); С —
нижний предел воспламенения, г/м3.
Если утечка происходит в помещении, то ситуация не является
взрывоопасной, если В не превышает 5% объема помещения П.
При В>5% и проливе ЛВЖ время испарения Ти до образования
взрывоопасной смеси в пятипроцентном объеме помещения
определяется по формуле
т 0,18ЯС
и 133ЯРл/МФ'
29

где И — коэффициент влияния скорости и температуры воздушного
потока на испарение (по СН 463—74), Р — давление насыщенных
паров жидкости при ее средней температуре, Па, М — молярная
масса вещества, Ф — поверхность испарения, м2.
Если Ти< 1 ч, то ситуация является взрывоопасной.
В табл. 1.7 приведены ориентировочные значения объемов
загазованных помещений в сохранившихся нижних этажах (включая
подвалы) и верхних этажах (3-й и выше), поврежденных при
землетрясении зданий в результате аварий газовой сети.
Таблица 1.7. Объемы загазованных помещений (%)
поврежденных зданий при балльностях землетрясений 6...9
Тип здания
по
классификации Бюро
МСССС
Б
В
6
нижн.
этаж
5
верх,
этаж
—
7
нижн.
этаж
9
5
верх,
этаж
5
8
нижн.
этаж
15
10
верх,
этаж
10
5
9
нижн.
этаж
40
30
верх,
этаж J
20
15 |
Несмотря на сильные разрушения и повреждения, системы
жизнеобеспечения частично всегда способны к функционированию при
проведении небольших восстановительных работ и обеспечении
электроэнергией (например, от передвижных энергоисточников).
Данные об остаточном ресурсе систем жизнеобеспечения после
землетрясений различной интенсивности приведены в табл. 1.8.
Процент потери производительности систем жизнеобеспечения
определяется дополнением величин до 100%. ;;
Ориентировочные значения долей населенных пунктов, где будут »
полностью или частично неработоспособны системы жизнеобеспече- >
ния, даны в табл. 1.9.
В городах и населенных пунктах при землетрясениях часть насе-,:
ления, находящаяся в цокольных этажах, подвалах и полуподвалах \
зданий из монолитного железобетона, а также каркасных и из
сборного железобетона с несущими перекрытиями, остается
непораженной. Однако многие люди, оставшиеся в живых в цокольных
этажах, не могут быть спасены или освобождены немедленно, посколь-..
ку требуется достаточное время для их поиска и освобождения из
под обломков разрушившихся верхних этажей (время поиска
колеблется от нескольких часов до нескольких суток). Наибольшие
поражения получают люди в многоэтажных зданиях и сооружениях
30

сборного типа при землетрясениях 8...9 баллов вследствие
обрушения плит покрытий, перекрытий, несущих балок, ригелей,
лестничных маршей и стен. При указанных интенсивностях по 20%
сборных домов обрушаются полностью, что приводит к гибели до 80%
людей, находящихся в зданиях.
Таблица 1.8. Доля систем жизнеобеспечения (%), способная
к функционированию немедленно (числитель) или после
восстановительных работ в течение суток (знаменатель)
при балльности землетрясений 6... 10
Система
Водоснабжение
Электроснабжение
Газоснабжение
Теплоснабжение
Транспорт
Канализация .
1 Связь
6
80/90
85/95
90/95
85/90
90/95
100/100
100/100
7
53/80
75/85
85/90
77/85
85/90
90/100
90/100
8
48/53
60/75
77/85
50/77
68/85
85/90
82/90
9
36/48
43/60
62/77
28/50
55/68
60/85
55/82
10 I
24/36
32/43
50/62
15/28
20/55
45/60 !
30/55
Таблица 1.9. Доли населенных пунктов (%)
с полной/частичной неработоспособностью систем
жизнеобеспечения при балльностях землетрясений 6... 10
Система
Водоснабжение
Электроснабжение
Газоснабжение
Теплоснабжение
Транспорт
Канализация
| Связь
6
-/10
-/5
-/5
5/10
-/5
"/-
..."/-
7
10/20
7/15
5/10
10/15
10/10
5/-
ю/-.
8
20/30
10/20
5/12
10/20
6/12
5/7
5/8
9 1
20/40
15/30
10/20
20/40
15/30
7/10
10/12
10 1
20/50
20/40
15/30
20/70
35/35
20/20
40/30
Наибольшую опасность для людей (особенно в дневное и
вечернее время) представляют общественные здания и сооружения. К их
числу относятся учебные заведения, магазины, театры, клубы,
производственные цеха и т.п.
Повреждение лестничного марша этажа обычно соответствует
степени повреждения (разрушения) конструкций несущих стен
ниже расположенного этажа. Поэтому в многоэтажных зданиях и
31

сооружениях, имеющих сильные повреждения, но сохранивших
устойчивость, не всегда представляется возможной эвакуация людей
или ценного оборудования по лестничным маршам в связи с
опасностью их обрушения при дополнительных нагрузках. Эвакуация по
лестничным маршам производится только после тщательной оценки
специалистами, а до нее применяются пожарные лестницы,
передвижные вышки и другие приспособления.
1.6. Зоны поражения вокруг обрушивающихся
зданий. Возможности населенных пунктов
по ликвидации последствий землетрясений
В результате обрушения конструкций зданий и сооружений (при
4...5 степенях повреждений, согласно приведённой классификации)
вокруг них образуются зоны поражения — завалы. В этих зонах,
как правило, полностью нарушается проводная радиосеть и
телефонная связь, воздушные линии электроснабжения, а также
внешние колонки и источники водоснабжения. Степени разрушений to
повреждений зданий различной конструкции приведены выше.
Размеры зон поражения (радиусы), — расстояния от стен
здания, — при полном разрушении зависят от конструкции, этажности
и высоты. В среднем радиус завала имеет порядок высоты здания.
Более детальные данные приведены в табл. 1.10.
Таблица 1.10. Радиусы R завалов при обрушении зданий
Тип здания
жилые

производственные
Конструкция
кирпичные
крупноблочные
крупнопанельные
кирпичные
крупнопанельные
Этажность
2
3
5
9
5
9
5
9
1
3...5
1
3...5
Высота, м
7,5
11
18
32
18
32 !
18
32
12
20
12
20
\ R, м 1
8
12
20
35 1
19
34 1
21
35
9
17
6
1 23
Возможности населенных пунктов по ликвидации последствий
аварий при сейсмических воздействиях ограничены и существенно
32

зависят от балльности землетрясения. Это связано с тем, что
вследствие разрушений уменьшаются материальные ресурсы и ухудшается
моральное состояние людей.
Реакция людей при землетрясениях, по имеющимся
статистическим данным, такова. При землетрясении б баллов многие люди,
находящиеся в зданиях, пугаются и выбегают на улицу. Некоторые
теряют равновесие. При 7 баллах многие люди с трудом
удерживаются на ногах. При 8 баллах — испуг и паника. Испытывают
беспокойство даже водители транспортных средств. При 9 баллах
наблюдается всеобщая паника.
Значительную роль играют предупреждения населения о
возможных землетрясениях. Хотя надежность прогнозирования
землетрясения в настоящее время невелика, однако, известны примеры, когда
прогноз имел реальное значение.
Проблеме предсказания землетрясений в последнее время
уделяется много внимания в Японии и США, где на финансирование
соответствующих национальных программ выделяются большие
средства. В странах СНГ работа по предсказанию землетрясений
сосредоточена в России, Казахстане, Кыргизстане и Узбекистане. В
России эти работы ведутся Институтом физики Земли (ИФЗ) АН
РФ под руководством Е.Ф.Саваренского и М.А.Садовского и
сосредоточены в Курило-Камчатской зоне (руководитель С.А.Федоров).
Установлено, что статистические закономерности для сильных
землетрясений могут быть использованы для прогноза землетрясений.
Подробная сводка данных и явлений, предшествующих
землетрясениям, приводится Т.Рикитаке.
Возможности населенных пунктов при наличии предупреждения
достаточно велики, в чем можно убедиться на примере
землетрясений в г.Мацусиро (Япония, 1965... 1967 г.г.). После
предупреждения о возможном землетрясении реакция населения была различна,
однако, местные органы власти реагировали следующим образом.
Ремонтировали школьные здания, старые мосты и ответственные
постройки. Усиливали пожарные команды и медицинские службы.
Целесообразно было также осмотреть слабые места дорог и
гидротехнических сооружений, пополнить запасы воды для тушения
возможных пожаров. Принять меры, связанные с безопасностью
водохранилищ, а также от возможных оползней. В безопасном месте
необходимо создавать аварийные запасы продовольствия, воды,
одежды, средств огнетушения, портативных радиоустройств, фонарей и
инструмента. В целом население принимало предупр1еждения спо-
2—1087
33

койно, однако те, кто верят в прогноз о сильных землетрясениях
всерьез, хотят уехать.
По мнению японских экспертов, при прогнозе сильного
землетрясения, которое ожидается через несколько месяцев, возникают
проблемы, связанные с необходимостью остановки ряда
потенциально опасных промышленных предприятий (атомных электростанций,
доменных печей, нефтеперерабатывающих и других заводов
тяжелой индустрии), что само по себе уже может наносить большой
материальный ущерб.
О возможностях населенных пунктов, которые зависят от
степени разрушений, можно судить по имеющемуся опыту ликвидации
последствий.
При землетрясении в Армении (1988 г.) интенсивностью 8...9
баллов выявлена полная неспособность государственных и
общественных структур оперативно реагировать на ситуацию и решать
задачи ликвидации последствий местными силами. Такое положение
объясняется как внезапными массовыми разрушениями в
густонаселенных районах, так и отсутствием специальных мобильных
формирований, способных в кратчайший срок прибыть в очаг поражения
(более подробно см. п. 1.7).
Другим примером служит обстановка в населенных пунктах при
катастрофическом землетрясении в Калифорнии (США, 9 февраля
1971 г.), в результате которого образовались крупные разрывы
земли на полосе длиной до 15 км. Горизонтальная компонента
ускорения достигала 1,25 ед-g, а по вертикали — 0,7 ед-g. Эти показатели
соответствуют землетрясению интенсивностью 10 баллов. По
приводимым в литературе данным, несмотря на потрясение и
громадные материальные потери, люди вели себя достаточно спокойно
и проявляли взаимопомощь. Быстро были организованы бригады,
которые ставили предупредительные знаки и ограждения на
дорогах, выключали газовые печи.
Менее обнадеживающей представляется ситуация после
землетрясения в г. Манагуа (Никарагуа; 23 декабря 1972 г.), при
котором из населения 420 тыс. человек погибло 5 тысяч, ранено 20
тысяч и без крова осталось 250 тысяч человек, а из общего
количества 70 тысяч домов рухнуло 50 тысяч. Была повреждена большая
часть правительственных зданий, разрушена федеральная тюрьма и
уцелевшие заключенные разбежались. В течение нескольких часов
300 тысяч жителей превратились в беженцев; люди устремились
прочь из города. На дорогах и перекрестках образовались
транспортные пробки. В центральных районах, особенно в универмагах,
34

начались грабежи и через 38 часов после землетрясения было
объявлено военное положение.
В результате разрушения зданий центральной пожарной команды
были раздавлены пожарные установки. Вышла из строя радиосвязь
и электропитание при отсутствии аварийного электроснабжения.
Был разрушен водопровод. Тем не менее местными силами было
организовано пожаротушение возникших массовых пожаров,
причем вода закачивалась из озера. Персонал вел борьбу с огнем в
течение 7 дней, имея материалы, рассчитанные на 24 часа. В течение
первых семи часов после землетрясения начала прибывать помощь
из других городов. Решающую роль в тушении пожаров сыграли
прибывшие подразделения инженерных войск США, которые
создали защитный пояс главных очагов пожара, использовав свое
тяжелое оборудование пожаротушения и взрывчатые вещества.
1.7. Землетрясение в Армении 7.12.1988 г.
Это землетрясение имело катастрофические последствия, по
причиненному ущербу количеству жертв (более 25 тыс. человек) оно
является крупнейшим в истории Кавказа.
Землетрясением была охвачена территория с населением около
миллиона человек, сильным разрушениям подверглись 4 города и 17
районов республики. Среди городов такие крупные промышленные
центры как Ленинакан, занимавший в республике второе место по
населению и промышленному значению, и Кировакан, занимающий
третье место. Более полумиллиона человек осталось без крова,
разрушено 365 сельских населенных пунктов, в том числе 58
полностью. Из 200 промышленных предприятий, попавших в зону
землетрясения, 157 перестали функционировать. Повреждено или
разрушено более 61 тысячи жилых домов, более 200 школ, около
180 детских садов и 160 объектов здравоохранения и много других
объектов. Общая сумма потерь национального богатства республики
составила около 10 млрд. рублей (в ценах 1990 г.). Эпицентр
землетрясения зарегистрирован в северных отрогах Базумского хребта с
координатами 40,8° северной широты и 44,1° восточной долготы,
примерно в 25 км северо-восточнее Ленинакана. Землетрясение
относится к классу мелких по глубине, так как гипоцентр его
располагался на глубине 15 км. В очаге землетрясения
выделившаяся энергия составила 10155 джоулей.
Обрушившиеся здания и сооружения явились основной причиной
большого количества людских жертв, гибели животных и
причиненного ущерба.
2*
35

Большинство современных зданий жилого и общественного
назначения строились по типовым и индивидуальным проектам,
разработанным различными проектными организациями Армении (Арм-
НИИСА Госстроя Армении — типовой проект 9-этажного 36-квар-
тирного блок-дома серии 111, АрмГосПроект — типовой проект
5-этажного дома серии 450; Специальное проектно-эксперименталь-
ное конструкторское бюро Минпромстроя Армении — проект
16-этажного жилого дома, возводимого методом подъема
перекрытий в г.Ленинакане и др.).
Здания и сооружения городов Ленинакан, Спитак, Кировакан,
Степанован, которые попали в зону наибольшей интенсивности
землетрясения, относятся к двум конструктивным схемам: каркасные
здания и сооружения и бескаркасной конструкции, причем
каркасные здания и сооружения имели полный или неполный
(внутренний) несущий каркас. Каркасные здания имели, как правило,
каркас из сборных железобетонных конструкций (за редким
исключением — из стального проката), бескаркасные — практически
все из местного туфового камня.
Разрушения зданий, даже однотипных, не были похожими при
нахождении их в зонах с одинаковой интенсивностью землетрясения
в силу различных причин, главными из которых являлись
применение низкокачественных материалов и несоблюдение требований при
строительно-монтажных работах. В то же время можно назвать
общие признаки разрушений и повреждений, а также выделить
особенности, присущие, очевидно, данному землетрясению и данным
условиям.
Для всех зданий общими признаками разрушения были
следующие: полное или частичное обрушение элементов несущего каркаса;
деформации каркаса с наклоном, как правило, в сторону
эпицентра; обрушение конструкций по вертикальным плоскостям среза,
совмещенным с плоскостями перегородок; разрушение и обрушение
заполнений из туфового камня.
Многие здания, хотя и сохранили устойчивость, имели сильные
разрушения: смещение плит перекрытия и лестничных маршей,
большие трещины и смещения в наружных и внутренних стенах,
вывалы каменной кладки, разрушение ограждений балконных плит,
частичное обрушение кровли и другие.
Одной из особенностей разрушения протяженных зданий,
имеющих направление продольной оси, близкой к направлению на
эпицентр, был отрыв торцевых частей зданий (очевидно, по
ослабленным сечениям).
36

Преобладающими видами повреждений бескаркасных зданий
были полный и частичный отрыв продольных стен от поперечных,
разрушение карнизов и перемычек, трещины по наружным,
внутренним стенам и перегородкам, разрушение архитектурных
украшений и выпадение наружу выступающих частей зданий, обрушение
покрытий и перекрытий.
К причинам массовых разрушений и повреждений зданий следует
отнести:
несоблюдение или выполнение с низким качеством
конструктивных мероприятий, обеспечивающих сейсмостойкость зданий и
сооружений (отсутствие антисейсмических поясов, необеспечение
жесткости дисков перекрытий и покрытий, отсутствие арматурных
сеток в каменной кладке и др.);
низкое качество строительно-монтажных работ (отсутствие
сварки, отступление от проекта, непровар стыковых соединений или
отсутствие сварки там, где она должна быть; плохая укладка бетона в
конструкциях, отсутствие замоноличивания стыков бетоном,
несоблюдение технологии устройства стыков и их конструкций и т.п.);
неудовлетворительное качество строительных материалов в
конструкциях;
самовольное изменение проектных схем зданий населением в
результате перестановки несущих и самонесущих стен с целью
увеличения жилой площади за счет лоджий и балконов;
ослабление несущей способности грунта основания в связи с
самовольным устройством в жилых зданиях подвалов под лоджиями
первых этажей и в техническом подполье.
Внезапные массовые разрушения и завалы в густонаселенных
районах, на крупных промышленных предприятиях с большим
штатом обслуживающего персонала, в госпиталях, в больницах, в
школах, в институтах, в магазинах, в клубах, в детучреждениях и
других заведениях привели к проявлению огромного, исчисляемого
десятками тысяч, количества жертв и раненых людей, которые
нуждались в срочном освобождении из завалов, в оказании экстренной
медицинской помощи и госпитализации.
Отсутствие в Армении мобильных, хорошо оснащенных и
подготовленных специальных и медицинских подразделений, способных в
кратчайшие сроки прибыть в очаг поражения для оказания помощи
пострадавшим, не позволило своевременно приступить к
спасательным работам. Первыми к выполнению задач по оказанию помощи
пострадавшему населению зоны катастрофы приступили войска
местных гарнизонов.
37

Организационная работа по оказанию квалифицированной
медицинской помощи раненым в пострадавших населенных пунктах (в
основном, в городах), началась к исходу первого дня, т.е. через
12... 18 часов после землетрясения. В отдаленные населенные
пункты квалифицированная помопц> поступила, спустя сутки и более, а
выполнение задач по ликвидации последствий было начато силами
войск местных гарнизонов, в первую очередь — подразделениями,
оснащенными достаточно эффективной инженерной техникой по
проделыванию проходов в завалах и их растаскиванию.
Значительные трудности в первые сутки при спасении
пострадавших и оказании им помощи доставляли отсутствие электроэнергии,
связи, водопровода, возможности обеспечения элементарных
условий. Зачастую оказание медицинской помощи приходилось
проводить на открытом воздухе, несмотря на то, что температура воздуха
в декабре была ниже нуля.
В результате землетрясения из-за подвижки и падения
трансформаторов, стоящих на рельсовых опорах, произошли разрывы
высоковольтных и низковольтных вводов и шин, разрушились
фарфоровые изоляторы, разрядники и воздушные выключатели.
Воздушная линия напряжением 10 кВ была полностью разрушена на
протяжении 520 км, частично — на протяжении 380 км;
напряжением 0,4 кВ — полностью на протяжении 500 км, частично — на
протяжении 350 км. Имели значительные повреждения кабельные
линии, а также городские троллейбусные и трамвайные воздушные
линии. Часть кабельных линий городской сети, хотя и осталась
неповрежденной, однако оказалась в зонах сплошных завалов, и их
использование до окончания разборки завалов в большинстве
случаев не представлялось возможным.
Обеспечение электроэнергией сразу же после землетрясения
оказалось единственно возможным при использовании
электротехнических средств текущего довольствия воинских частей с одновременной
подготовкой и вводом в эксплуатацию электроагрегатов и
электростанций длительного хранения для освещения мест завалов и
разрушений с целью высвобождения из-под них людей, а в
последующем — для освещения палаток и мест оказания первой медицинской
помощи. К исходу 9 декабря (на третий день после землетрясения)
в Ленинакане функционировало уже более 60, а в Спитаке — около
40 различных источников электроэнергии, более 70% из которых
были сняты с длительного хранения (табл. 1.11).
Указанные средства, в первую очередь, использовались для
освещения мест работ по поиску и спасению людей, пунктов оказания
38

первой медицинской помощи, хирургических отделений госпиталей,
больниц, а также военных городков и палаточных городков
пострадавших, по мере их оборудования. После поступления
народнохозяйственных дизельэлектрических агрегатов войсковые
электротехнические средства возвращались в воинские части. В
дальнейшем электроснабжение района землетрясения с нарушенной
государственной энергосетью до ее восстановления осуществлялось
при помощи передвижных электроустановок.
Таблица 1.11. Номенклатура и количество источников
электрической энергии на 9.12.1988 г. в районах
землетрясения на территории Армении
Район
(город)
Ленинакан
Спитак
АБ-1ВО
4
2
АБ-2ВО
9
5
АБ-4ВО
14
7
АБ-12ВО
17
11
ЭД-ЮВС
АД-10ВС
11
10
АД-30
ЭД-30
6
5
ЭД-100
2
1
Междугородная телефонная связь была прервана с городами
Ленинакан, Спитак и райцентрами Степанаван, Ахурян, Гукасян, Апа-
ран, Артик, Арагац, Маралик, Калинино. Телефонная связь с Киро-
ваканом — городским узлом связи, Артикским, Апарикским,
Калининским и Степанаванским районными узлами связи (РУС) была
прервана на незначительное время, а с Ленинаканским городским,
Арагацским, Амасийским, Спитакским, Анийским и Гукасянскими
РУС — на срок от 3 до 6 суток. Полностью разрушена
радиотрансляционная сеть в Ленинакане и Спитаке. Телевизионное
вещание по первой республиканской программе было восстановлено
в Ленинакане, Ахуряне, Арагаце и Артике 14 декабря, а по 1
общесоюзной программе — 16 декабря. В Спитаке телевизионное
вещание по 1 республиканской программе было восстановлено 17
декабря, а по 1 общесоюзной — 19 декабря 1988 года.
Ленинаканский городской и Спитакский РУС были разрушены
полностью, частичные разрушения получили Кироваканский
городской и Степанаванский РУС, слабые — Амасийский, Арагацкий,
Апаранский, Артикский, Гукасянский и Калининский РУСы.
Получили повреждения кабельные магистральные и внутриреспубликан-
ские линии связи общей протяженностью 58 км. Получили
повреждения различной степени здания и сооружения 41 городских и 80
сельских отделений связи, 17 городских (75800 номеров) и 32
сельских (8638 номеров) АТС, нарушена телефонная связь с 67 селами.
39

Работа спецсвязи и фельдсвязи по доставке корреспонденции не
прекращалась. Доставка осуществлялась непосредственно штабам и
войсковым частям, ведущим работы по ликвидации последствий
землетрясения.
Коммунально-энергетическое хозяйство всех четырех городов и
многих крупных населенных пунктов сельского типа практически
было выведено из строя. В Ленинакане выведены из строя все
четыре водопровода, по которым осуществлялось водоснабжение города
питьевой водой, повреждены все 4 водозабора артезианских
скважин. От подвижек грунта на магистральных водопроводах
произошло 59 разрывов, на различных водопроводных сетях — около
490 аварий. Канализационно-очистные сооружения города
полностью были выведены из строя. Из 215 км канализационных сетей из
керамических, асбоцементных и бетонных труб повреждено 100 км.
Из 270 км получили повреждения 190 км тепловых сетей из-за
повреждения колодцев и нарушения фланцевых соединений. Из
существующих котельных получили различной степени повреждения
49, разрушены полностью — 12. Большое количество оборудования
вышло из строя из-за размораживания наружных технологических и
внутренних систем. Разрушено в системе газоснабжения 6 газовых
распределительных отдельно стоящих пунктов из 27, а также 7 из
85 шкафных регуляторных пунктов и 158 км из 528 км газопровода
низкого давления. Аналогичные повреждения имели место в других
населенных пунктах и, особенно, в городах.

Глава 2. Обеспечение сейсмостойкости
зданий и сооружений с подвешенными
массами
Для сейсмических районов проектируют и используют
гражданские и промышленные сооружения с подвешенными этажами и
различным тяжелым оборудованием. В энергетических сооружениях
(тепловых станциях и АЭС) используют подвешенные на гибких
связях тяжелые теплоагрегаты, провисающие через несколько
этажей специальных каркасов. Для расчета сейсмостойкости
сооружений данного класса разработана программа DEMP.
2.L Программа DEMP
Энергетическая установка с котлоагрегатом (котлом) большой
массы монтируется как подвесная система маятникового типа.
Сооружение (рис.2.1) представляет стальной каркас 1, к балке 2
которого с помощью подвесок 3 прикреплен котел 4. Для уменьшения
смещений котла относительно каркаса может быть использована
тросовая система 5, соединяющая котел с анкерами, закрепленными
в грунте.
Для динамического расчета сооружение может быть
схематизировано различным образом. Как показал предварительный анализ,
основная частота малых колебаний (линеаризованного маятника) для
реального диапазона параметров сооружения оказывается весьма
низкой, выходя за пределы частотной шкалы графика
коэффициентов динамичности, регламентируемых нормами. Учитывая
геометрическую и возможно физическую нелинейность системы (в связи с
возможным превышением изгибающих моментов в каркасе
предельного значения, зависящего от сжимающего усилия, и развитием
неупругих деформаций), представляется целесообразным разработать
метод расчета подобных уникальных сооружений.
Ниже дана постановка соответствующей задачи и предложен
алгоритм динамического расчета сооружения на ЭВМ. Данная
методика позволяет определять параметры движения и
напряженно—деформированное состояние элементов сооружения при сейсмических
воздействиях, вводимых в расчет в виде оцифровок
инструментальных записей ускорений основания или синтезируемых
акселерограмм, что соответствует требованиям норм для ответственных со-
41

оружений. Разработанный алгоритм может использоваться как
детерминированное звено в схеме статистического моделирования на
ЭВМ реакции сооружения на сейсмические воздействия.
Расчетная схема сооружения принята в виде нелинейной плоской
двухмассовой системы с пятью степенями свободы. Котел
схематизирован твердым телом с массой щ и центральным моментом
инерции /, а каркас — консолью с приведенной массой т^ (инерцией
вращения пренебрегается). Подвески на схеме представлены весьма
гибкой упругой невесомой односторонней связью, соединяющей
массу тгъ} с точкой С подвеса котла, вообще говоря не совпадающей с
его центром инерции (точка Ь, Ъс = lc = const).
Считается, что связь не выдерживает сжатия (теряет
устойчивость) и может многократно выключаться из работы и включаться
вновь при натяжении.
В общем случае условная точка d крепления тросов к котлу
также может не совпадать с его центром массы. Тросы будем считать
работающими упруго и только на растяжение. Начальное
положение тросов фиксируется двумя параметрами: расстоянием
hq'Q —bd = const от точки крепления до центра массы и углом
наклона р0 к горизонту.
42

Консоль жестко защемлена в основании, причем заделка со
связанной с ней системой координат ху вследствие сейсмических
возмущений при t > 0 движется по произвольному закону
X0(t), Y0(t), <p(t) в инерциальной системе координат XY.
Для общности считается, что к массам может быть также
приложена система сил qJX, qjy (7=1,2) и момент Mq, моделирующая
аварийное (взрывное) воздействие.
Полагается, что каркас работает упруго, а при достижении
изгибающим моментом в заделке предельного значения (с учетом
сжатия) образуется пластический шарнир, в котором момент задается
диаграммой Прандтля с переменной текучестью.
За обобщенные координаты системы приняты компоненты Ху,
Fy, векторов смещений масс т;- и угол поворота у котла в системе
XF. Система уравнений задачи включает дифференциальные
уравнения для обобщенных координат, геометрические соотношения и
формулы, связывающие внутренние усилия с деформациями.
Реакции Лг, RB от изгиба и сжатия консоли и силы N, N. растяжения
связи и тросов содержат демпфируюпще составляющие вязкого
типа.
Уравнения для обобщенных координат имеют вид
^1* = (Я\х ~ ^ since + Nlx + N2x)m[\ X, = Vlx;
V\y = (я\у + Ncosa + Nly + N2y)m^ - g, Y} = Vly;
Q = [мд - Mcsin(y - a) + Мтру~\ у = Q;
V2x = (q2x + N sin a 4- RB sin q> — Rr cosa)m^ , X2 = V2x;
^2y = \Q2y ~ Nsina + rb созф + Rr sincpjm^1 - g, Y2 =V2y.
Здесь точка сверху означает производную по времени t, g —
ускорение свободного падения, a — угол поворота связи, Л/^., Niy, MTP
— проекции усилий в тросах (£=1,2) на оси инерциальной системы
координат и момент от этих сил относительно центра массы щ.
Начальные условия определяются деформациями от собственного
веса конструкции. При 2=0 RB{0) = g(rnl +7П2), N(o) = &Щ и
начальные значения координат
4(0) = Y2{0) - /01 - Мо)^^,)"1 - 1е,
Y2(0) = l02-RB{0)l02{E2F2T\
43

где Ej — модули упругости материалов связи (/=1) и консоли
(у=2); Fj — их площади сечения; Iqj — длины в разгруженном
состоянии. Начальные скорости хДо), ^-(о), у(о) могут быть
вызваны кратковременными импульсами, т.е. в общем случае —
ненулевые и считаются заданными.
Начальная длина тросов равна
Длины растянутых тросов ^ определяются через координаты
точки d(Xd,Yd) и анкеров (XU,YU) при £>0, а абсолютные
деформации 5Ti — разностями
hi = hi-ho, ln=^Xd-Xlif+{Yd-Yli)2 ;
Xd = X} + fy, sin у, Yd = Yl- hp0 cosy ;
Xu = X0TlTo cos{30 coscp, Yu = Y0 ± ^ cosP0 sincp.
При 8Ti < О трос выключается из работы, а величина 8£ при
этом вычисляется для контроля возможности его повторных
натяжений (при смене знака с минуса на плюс).
Для определения усилий в тросах используются выражения
Nt = ETFT8Ti I lTo + \iT5Ti(8Ti > 0), Nt = 0 (STi < 0),
где ET, \xT — модуль упругости троса и коэффициент
демпфирования, FT — эквивалентная площадь сечения.
Выражения для проекций этих сил и формула для момента от
них имеют вид
% = Ъ(ХП - Xd) /lTi,Niy = Nt(YH - Yd) I lrU
mtp = (Nlx +N2x )hTo cosy + (Niy + N2y)hTo skly .
Далее запишем следующие геометрические соотношения
(уравнения связей)
Xc = Xi-lcsiny,
Ye=Y1 + lewsy,
a = arctg[(Xc-Z2)/(F2-Fc)],
где Хс, Yc — координаты точки подвеса котла.
Выражение для прогиба х консоли получено из соотношения для
координаты Ха точки а
Ха = Х2 - Xseccp = Х0 + (У2 - 70)tg<p,
х = (Х>- Х0)авф- (У2 - yjsincp.
44

Деформации сжатия консоли и растяжения связи соответственно
выражаются соотношениями (х = Х2, Y2 — координаты массы т^ в
системе XY):
А2 = fo - Y2 = Z02 - (*2 ~ *o)sin(P - (У2 - Io)COS(P' (2Л)
А1=>/(Х2-Хс)2+(Г2-7в)2-1о1- (2-2)
Усилие N определяется по деформации Aj и скорости
деформации Aj односторонней связи
N = адД2 / 1о1 + ^А, (А, > 0), ЛГ = 0 (Aj < 0). (2.3)
При упругой работе конструкции сжимающее усилие RB
вычисляется по абсолютной деформации А2 оси консоли и скорости А2
Rb = E2F2A2/Io2 + vlbA2, (2.4)
а реакция Rr — по формуле
,-1
Rr =
_ xRB (tyu \
~Y$){~V~ ) +И,гХ' (rb>0,->u>o) (2.5)
и = Y2(0)yJRB/(E2J2)
где J2 — расчетный момент инерции сечения консоли в заделке, и —
параметр нагрузки (с критическим значением по первой форме
потери устойчивости в статике икр = 7с/2).
Появление критического значения продольной силы не
допускается, поэтому при и > ик? счет заканчивается.
При возможном растяжении консоли для реакции Rr
используется формула, в которой продольная сила не учитывается,
Rr = 3E2F2x IZ032 + tirx (RB < 0). (2.6)
В формулы для внутренних усилий введены демпфирующие
члены с коэффициентами \iN, \iB, \хг, поэтому, кроме момента в
заделке М, вызванного деформациями, вычисляется момент М0, в
котором учтены составляющие от демпфирующих сил,
— Дг0о2 - Д2)— (rb > 0)
м= I Г\02 2) _ V В ) ^ (2?)
[Rr(l02 -A2) + RBx(RB <0)
Щ = RAk2 ~ Ай) + RBX
(в формуле для М функции Rr,RB,U определяются без учета
демпфирующих составляющих сил).
45

При расчетах с учетом пластических деформаций по диаграмме
Прандтля с переменной текучестью рассматриваются упругая стадия
(признак £=0), а затем чередующиеся пластические стадии (Е=1)
и стадии упругой разгрузки и повторного упругого нагружения
(Е=2). При этом приняты менее общие предположения
относительно нагрузок: учитываются только горизонтальные движения
основания (АГ0^0,Г0=ф = 0). Кроме того, пренебрегается влиянием
инерции вертикальных смещений массы щ. Сила RB и деформация
Д2 считаются постоянными, что приводит к неизменности
параметра и = и(о) и линейной зависимости от х реакции Rr и момента
М в упругой стадии
Rr = CftpX + \хгх; М = Смх; (2.8)
М0 = RrY2(0) + RB(0)x ; C^ = RB(0)[у2(0)(tgи(0)/и(0) - l)]"1 ;
CM=RB(0)[l-u(0)/tgu(0)]~l.
При RB > i^p момент М может достигнуть значения
предельного пластического момента Мт, зависящего от сжимающей силы RB.
При этом возможность потери устойчивости проверяется
продолжением интегрирования уравнений за пределом упругости.
Первоначально предельное значение Мт достигается в момент
образования пластического шарнира в заделке консоли по условию
|м|>Мг. (2.9)
При этом фиксируется прогиб х = хт sgn х и момент М
М = Мт sgn М, хт = Мт I См . (2.10)
Далее при Мх > 0 (Е=\) момент М остается постоянным, а
реакция Rr, входящая в уравнение движения, определяется из
уравнения равновесия изгибающих моментов
Rr = (И - RBx) / Y2(0) + \irx. (2.11)
При нарушении условия Мх > 0 фиксируется пластическая
деформация
A = x-xTsgnM, (2.12)
и осуществляется переход к упругой разгрузке и повторным упругим
нагружениям (Е=2). В процессе таких упругих колебаний момент
М определяется по формуле
М = См(х-А), (2.13)
46

причем выражение (2.11) остается в силе. Возврат к пластической
стадии (Е=1) происходит вновь при x = xTsgnx + A по условию
(2.9), причем фиксируется точка возврата по формуле (2.10) и т.д.
Счет заканчивается по условию исчерпания изгибной несущей
способности консоли
Rrx < О при |м| = Мт.
Соударение котлоагрегата с каркасом не учитывается в
предположении нормирования допустимых относительных смещений.
Согласно приведенному алгоритму (см. блок-схему, рис.2.2)
разработана программа DEMP. По программе возможен расчет
сооружения с тросами или без тросов. Во втором случае соответствующие
силовые функции в правых частях уравнений движения заменяются
нулями, причем вычисление координат произвольной точки d может
быть использовано для оценки возможности соударения котла и
каркаса.
В динамике сила RB может возрастать, особенно при наличии
заметных вертикальных движений основания. Поэтому изгибная
жесткость консоли E2J2 должна содержать некоторый запас, чтобы
увеличить диапазон упругой устойчивости каркаса. Вводится
коэффициент К3 < 1.
К3 = g(™i + ma) / RK? ; RKp = ^n2E2J2 / &.
Если при первоначально заданных J2 , K3 окажется, что
условие g{ml + rib}) I RKp < K3 не выполняется, то в программе
корректируется момент инерции и в расчет вводится новое значение
h = 4&£(л»1 +та)/ (к3п2Е2).
Если запас устойчивости в процессе вычислений окажется
недостаточным, счет заканчивается по условию и > икр с выдачей на
печать сообщения о разрушении.
При необходимости ведения расчета сооружения по упругой
схеме параметр Мт используется как признак (задается Мт= 0). При
расчете сооружения без тросов используется признак FT = 0.
Решение дифференциальных уравнений проводится методом Рун-
ге—Кутта с помощью процедуры RUTTA.
Нагрузки и кинематика основания сооружения могут быть
введены аналитически или таблицами. Аналитическая аппроксимация
нагрузок принята билинейной, а кинематика — в форме импульса Бер-
лаге для скорости
47

Z = Zm sin со t • exp(-po) f), t =t -tc ,
где Zm, со, p - параметры, a £c - сдвиг по фазе относительно
момента времени t - О, в который приложена динамическая нагрузка
(Qixi Я\у, Mq ), моделирующая действие аварийного взрыва.
Данные
Рис.2.2. Блок-схема программы DEMP. Подпрограммы: SPLDINT, SPLITP -
дифференцирования, интегрирования и сплайн-интерполяции табличных
функций; РВ — вычисления правых частей дифференциальных уравнений; UNT —
линейной интерполяции таблиц; Р, Р1 — ввода значений динамических нагрузок
48

Возможно задание нагрузки со сдвигом по фазе относительно
кинематики с началом воздействия при t= О. Сдвиг по фазе допустим
при табличном задании информации. При табличном вводе
кинематики (с переменным или постоянным шагом) в форме сейсмограмм,
велосиграмм или акселерограмм возможно масштабирование таблиц
с помощью нормирующих коэффициентов, на которые умножаются
все элементы соответствующих числовых массивов. Ввод нагрузок и
кинематических возмущений при различных комбинациях их формы
задания осуществляется специальными процедурами.
В программе может производиться балансировка табличных
данных, соответствующих велосиграммам и акселерограммам, для чего
задается вектор Z0 остаточного смещения почвы — ненулевой
(если, например, он известен на основании статистической обработки
данных триангуляции, относящихся к прошлым землетрясениям)
или нулевой.
2.2. Балансировка акселерограмм
Балансировка акселерограмм возможна различными способами.
Соответствующую процедуру в литературе называют удалением
тренда (метод среднего наклона для удаления линейных трендов,
метод наименьших квадратов для трендов второго и третьего
порядка).
В программе DEMP балансировка (нормализация) задаваемых
акселерограмм z(t) и велосиграмм Z(t) исключением нелинейных
трендов производиться с помощью процедуры NORMAS со
сглаживанием исходного (масштабированного) массива сплайн-функциями
(см. п. 1.2).
Балансировка сейсмической информации важна для сооружений,
имеющих в своих спектрах периоды колебаний Г, близкие к
времени t = U, т.е. периодам трендов. Поведение "высокочастотных"
систем слабо зависит от наличия или типа балансировки. В указанном
смысле к "высокочастотным" могут быть отнесены системы с
T/U < 1/2. Балансировка входной информации по сейсмике при
расчете энергетических установок с подвесными агрегатами,
обладающими огромной инерцией и высокой податливостью, приобретает
важное значение.
Приводятся результаты обработки исходной информации по
карпатскому землетрясению 4 марта 1977 г. на территории СРР. На
рис.2.3 приведена исходная акселерограмма в направлении В—3. Ее
интегрирование к моменту f*=14,7 с (длительность основной фазы
49

землетрясения) дало скорость 0,3 м/с (рис.2.4, кривая 1), что
вызвало сильно преувеличенные перемещения почвы. Балансировка
акселерограммы методом среднего наклона (поворотом нулевой
линии вокруг точки t = U с условием обращения в нуль скорости
Z(fc), кривая 2) не должно приводить к существенному
уменьшению (по модулю) перемещений.
Z[M/c*)
г
Рис.2.3. Акселерограмма карпатского землетрясения: а) В-3
(восток-запад), б) С-Ю (север-юг), оцифрованные по 215 точкам с
неравноотстоящими узлами при нормировании на 8 баллов
50

Z(m/c)
0,2\-
0,2
о
-0,2
-0,4
I l >f dC
h—
0 4
\ /Ц 4
Ы
i &
l~ К fan. J*
MgvV^T
v>^k л/
1 1
f 12 t,c
Рис.2.4. Велосиграмма, полученная: интегрированием функции z{t) в-з
(кривая 1); той же функции, нормализованной поворотом оси (2) и
кубическим сплайном с нулевым (3) и остаточным в 0,2 м смещением грунта
(4)
На рис. 2.5 показаны изменения перемещений почвы Z(t),
полученные по исходной акселерограмме (а) и сбалансированной
методом среднего наклона (б). Там же показана реакция простого
осциллятора (без демпфирования) с периодом Т = 2% с, т.е.
T/U = 0,43. Видно, что при значительном различии в абсолютных
перемещениях осциллятора Y его деформации у в двух вариантах
расчета оказались близкими.
51

-Я,21 I ^-J ■ %*~* l
Q к 8 fZ Ш
Рис.2.5a. Перемещения основания Z, осциллятора Y и деформации г/,
вызванные землетрясением. Кривые на рисунках а...г соответствуют
вариантам 1...4 на рис. 2.4.
52

Рис.2.5б.
На рис.2.6 приведен нелинейный тренд, полученный с помощью
процедуры NORMAS при нулевом (кривая 1) и остаточном
смещении 0,2 м (кривая 2).
Поскольку в программе использовано демпфирование вязкого
типа (по Фойгту), демпфирующие члены в уравнениях движения
приобретают существенное значение при длительных апериодических
нагрузках (сейсмика), особенно в упругой стадии и при упругих
колебаниях на разгрузочной ветви упругопластической диаграммы
сопротивления. Для однократных кратковременных нагрузок импуль-
53

сивного типа влияние диссипации на амплитуды колебаний
невелико, и можно вести расчет без учета демпфирования.
Рис.2.6. Функция
у (t), балансирующая
акселерограмму В—3 с
нулевым (кривая 1) и
остаточным в 0.2 м
смещением грунта (2)
(нелинейный тренд)
Обычно для линейных систем с диссипацией вводится
коэффициент демпфирования 8 по формуле
б = ц/(2т).= сэ8/(2я),
где 5 = \п(Ак/Ак+1) - логарифмический декремент колебаний, со -
частота недемпфированной системы.
Относительное демпфирование Р равно отношению 8 к его
критическому значению гкр - со
Р = е/со =8/(2тг),
т.е. используемый в задаче коэффициент \х = 2гаР<х> = габсо/л:.
В связи с нелинейностью системы желателен синхронный расчет
на комбинацию горизонтальных, вертикального и угловых движений
сооружения (вращение вокруг оси Y в алгоритме не учитывается).
К сожалению, информации по вертикальным сейсмическим
движениям весьма мало, а по угловым почти нет.
Если геометрия задачи такова, что существенные деформации в
сооружении развиваются в одной плоскости XY (рис.2.1), то
влияние известных ортогональных горизонтальных движений Х12 по
осям Х12 (при произвольной ориентации сооружения) может быть
учтено расчетом по рассмотренному алгоритму на возмущение Х0
согласно выражению
X0(t) = X}(t)sm Э + X2(*)cos»,
где & — угол между осями Х2 и Хг.
Вертикальная составляющая возмущения У0 от землетрясения,
учтенная в алгоритме, может иметь существенное значение, особен-
0 * В 12 Цс)
54

но при небольших эпицентральных расстояниях Я. Так, при
некоторых условиях отношение максимумов вертикального и
горизонтального ускорений может достигать 0,85 (Эль-Центро, 1940 г.,
R/H=2, H — глубина фокуса) и даже превышать 1. При
землетрясении в Газли, 1976 г., это отношение достигает 2.
2.3. Примеры расчета сооружения
В связи с тем, что сформулированная задача является
многопараметрической, ниже приводится несколько примеров расчета
энергетической установки без тросов при работе каркаса в упругой
стадии и за пределом упругости. При расчетах использовались
акселерограммы карпатского землетрясения с удаленным нелинейным
трендом при нулевом остаточном смещении.
Параметры сооружения (агрегат ТПЕ—215с в стальном каркасе)
следующие:
щ = 5,25 • 103 т, Ш2 = 0, l/ni» ^oi = Ю м, 1§2 = 5,32qi,
lc = 0,9^, Fj = 0,26 м2, F2 = 4,62^,
Е1 = Е2 = 2,1105 МПа, J = 109 кг-м2, J2 =0,69 м4,
# = 9,81м/с2, |i = 0,25 МН-с/м, 0 = 0,14.
На рис. 2.7 приведены результаты упругого расчета сооружения
по акселерограммам двух направлений В—3 (а) и С—Ю (б).
Показаны графики функций, характеризующих линейные и угловые
смещения системы (х, у* <*), реакцию от изгиба (Rr) и момент в
заделке каркаса с учетом демпфирования (М0). Движения и
деформации сооружения при воздействиях в двух направлениях существенно
различны по форме и интенсивности. Проведены расчеты
(направление В—3) для каркасов с различными значениями предельных
моментов МТ в диапазоне от 7,13 до 12,5 МНм. Результаты показаны
на рис.2.8, 2.9. Экстремальные значения параметров (по модулю)
для трех характерных вариантов сведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Результаты расчета подвесной системы
на сейсмику
•Направление
С-Ю
L ._ в-з
Мт, МНм
упругость
упругость
12,5
X, М
0,98
0,18
0,15
У, рад
0,020
0,0035
0,003
а, рад
0,015
0,0034
0,0034
Rr, МН
0,55
0,105
0,08
55

При Мт < 11,65 МН-м каркас сооружения теряет устойчивость
при развитии пластического шарнира в заделке. При
Мт = 12,5 МНм (в варианте 4) сооружение сохраняет прочность,
причем остаточная деформация каркаса (в верхней точке)
составляет Хпл = 13 СМ.
х(сн) ОЛйЛнН); 10'3МоШм);2-Ю3/,г-ЮЫ(рад)
О 4 6 // Не)
-16
к/5
\с-ю \
.3
,2 \
\
Ж
1 """nX
б\
#.!
Рис.2.7. Реакция
энергетической установки
на упругом каркасе
'•-А2"-"
t>c
56

12
t,c 0 4 /,c
Рис.2.8. Реакция установки на упругопластическом каркасе на
землетрясение в направлении В-3 при Мг=12,5 и 7,13 МН-м. Во втором случае
каркас разрушен вследствие потери устойчивости в пластической стадии

Ю'*Рг(н); 5Ю"М1нм)
-Ю
%(
щ
f>
V
у
'(
\
/
к7/
^
У*
V
/
//
//
Л
/
/
/
/
г
/
/
/
'/<
7 £
If s
А
/
т,см
Рис. 2.9.
Зависимости реакции Rr и
изгибающего
момента М в заделке от
прогиба х каркаса в
упругопластической
стадии при
различных значениях
момента Мт: 1—7,13;
2-10,7; 3-11,65;
4-12,5 МН-м.
Линиями 1а
показана упругопла-
стическая петля
М(х) для Мт=7,13
МН-м. Остальные
линии
соответствуют Rr(x). Черные
точки означают
разрушение в
вариантах 1...3.

Глава 3. Ураганы, торнадо, грозы
Сильные ветры, значительные перепады атмосферного давления
и большое количество осадков могут вызвать разрушения и
человеческие жертвы. Опасные атмосферные явления связаны с
возможностью образования циклонов, ураганов и торнадо, кинетическая
энергия Е которых дана в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Энергия катастрофических атмосферных
явлений
Опасные явления
Пылевые смерчи
Торнадо
Шквалы
Ураганы
Циклоны
Е, Дж 1
4-Ю7
4-Ю10
41012
41016
41017
3.1. Ураганы
Ураган — атмосферные вихри больших размеров со скоростью
ветра до 120 км/ч, а в приземном слое — до 200 км/ч.
Максимальная скорость ветра 230 км/ч (64 м/с) зафиксирована в
Пуэрто-Рико в 1928 г. Обычно ураганы формируются в тропических районах,
затем, следуя в северные или южные широты Земли, медленно
рассеиваются. Ураганы обусловлены некоторой неустойчивостью
атмосферы, связанной с притоком теплого влажного воздуха.
Восходящее его движение приводит к конденсации влаги в верхних слоях
атмосферы и образованию центра урагана. Считается, что
возникновение урагана связано с наличием области низкого давления, а его
поддержание — с некоторым постоянным источником энергии,
который представляет влажный воздух, поднимающийся над водной
поверхностью. Выделяющееся при конденсации воды тепло питает
ураганы энергией.
Разрушительное действие ураганов определяется, в основном,
энергией скорости ветра, т.е. скоростным напором qr, пропорцио-
59

нальным произведению плотности атмосферного воздуха на квадрат
скорости воздушного потока q = 0,5pi;2.
Согласно строительным нормам максимальное нормативное
значение ветрового давление для территории России составляет
q = 0,85 кПа, что при плотности воздуха р = 1,22 кт/м*
соответствует скорости ветра v = pq/p = ^/2-850/1,22 =37,3 м/с (134
км/ч). Для сравнения приведем расчетные значения скоростного
напора, использованные при проектировании АС для района
Карибского бассейна: для сооружений I категории — 3,44 кПа, II и III —
1,75 кПа и для открытых установок — 1,15 кПа.
Большую опасность при ураганах представляет действие
обильных дождевых осадков. Велика также разрушительная сила ударов
от предметов, уносимых ураганным ветром. Разрушения и
человеческие жертвы связаны также со штормовыми волнами,
обрушивающимися на прибрежные участки суши.
Частотным анализом годового числа ураганов установлена
возможность его описания распределением Пуассона
/(х) = ^ехр(-^)/х! , (3.1)
где f(x) — функция распределения; х — ежегодная частота; ц —
средняя ежегодная частота. Например, для всех ураганов
Атлантического побережья США |i=2.
Функция распределения (3.1) вероятностей образования урагана
может быть положена в основу прогноза риска возможных
разрушений. Непосредственная опасность надвигающегося урагана может
фиксироваться слежением за его перемещением радиолокаторами, а
также спутниками, что позволяет определить направление движения
путем краткосрочного прогноза.
Часто способом защиты населения, в связи с возможностью
сильных штормовых волн, наводнений и сильных ветров, является
эвакуация из прибрежных районов.
Зимние метели представляют проявление циклонов (зона низкого
давления) во время холодной погоды. Крупные скопления снега,
сопровождаемые сильным ветром, могут затруднить или парализовать
движение автотранспорта.
В пустынях сильные ветры являются причиной пыльных и
песчаных бурь. В течение песчаной бури возможно нарушение
нормального электрического поля в атмосфере.
60

3.2. Торнадо
Торнадо — сильные вихри в виде воронок, спускающиеся от
нижней границы облаков. Беспорядочно приближаясь к земле, торнадо
вызывает значительные разрушения, что обусловлено большими
скоростями ветра, низким давлением в центре и значительной разницей
давлений между краевой и центральной частями, достигающей 8
кПа. Шкала разрушений (Фьюджита), вызываемых торнадо,
включающая шесть классов F, зависит от скорости ветра V (табл. 3.2).
Таблица 3.2. Шкала разрушений, вызываемых торнадо
Класс разрушений F
[Скорость ветра V , м/с
0
18
1
33
2
50
3
70
4
93
5'
117
Повреждения, соответствующие классам F, следующие:
0 — слабые повреждения: небольшие повреждения антенн,
повалены деревья с неглубокими корнями;
1 — средние повреждения (начало ураганной скорости ветра):
сорваны крыши, перевернуты автоприцепы, движущиеся автомобили
снесены с дороги, некоторые деревья вырваны с корнями и унесены;
2 — значительные повреждения: разрушены неустойчивые здания
в сельских районах, крупные деревья вырваны с корнем и унесены,
опрокинуты товарные вагоны, сорваны крыши с каркасов домов;
3 — серьезные повреждения: разрушена часть вертикальных стен
домов, перевернуты поезда, разорваны конструкции со стальной
оболочкой (типа ангаров), автомобили подбрасывались в воздух,
большинство деревьев в лесу вырвано с корнями или повалено;
4 — опустошительные повреждения: каркасы домов целиком
повалены, автомобили и поезда отброшены, крупные летящие
предметы;
5 — потрясающие повреждения: каркасы домов сорваны с
фундаментов, железобетонные конструкции сильно повреждены, в воздухе
летяпще предметы размером с автомобиль.
Размер торнадо обычно не превышает 1,5 км в диаметре.
Большинство имеют размер порядка 100 м, причем многие из них не
достигают земной поверхности. Наземный след торнадо, достигших
земли, простирается на расстоянии от нескольких сот метров до
сотен километров. Диапазон скоростей движения торнадо 18...30 м/с.
Основной параметр торнадо — F, а также длина пути L и
ширина W, определяются по 5-ти балльной шкале согласно табл. 3.3.
61

Таблица 3.3. Шкалы градации длины пути и ширины торнадо
Классы F,,, Fw
Длина пути L, км
Ширина W, км
0
0,5
0,005
1
1,6
0,016
2
5,1
0,051
3
16,1
0,161
4
50,9
0,509
5
161
1,610 !
В горизонтальном сечении торнадо представляет ядро,
окруженное вихрем, причем имеются точки всасывания, которые движутся
вокруг ядра и способны приподнимать железнодорожные вагоны
массой до 13 т. Этот эффект соответствует скорости ветра порядка
100 м/с. В пределах торнадо имеются также сильные нисходящие
потоки, способные вдавливать в грунт отдельные доски на глубину
до 45 см. Средняя скорость движения центра торнадо относительно
земли — 27 м/с.
Катастрофические торнадо наблюдаются редко, поэтому для их
прогноза затруднительно использовать статистический подход.
Обычно ориентируются на то, что торнадо могут возникнуть в
любом из тех районов, где они уже происходили раньше, и следует
принять соответствующие меры предосторожности. Если ведутся
атмосферные наблюдения и если торнадо обнаружен, делается
соответствующее предупреждение.
Поскольку вероятность появления торнадо в каком-либо
конкретном районе весьма мала при проектировании обычных
промышленных и гражданских зданий и сооружений нагрузки от торнадо
строительными нормами не учитываются (по экономическим
соображениям). Нагрузки от торнадо учитываются при выборе площадок
для атомных электростанций как в России, так и за рубежом. При
этом учитываются скорость ветра (скоростной напор ветра),
изменение атмосферного давления при прохождении торнадо над
сооружением, а также удары летящих предметов.
Разрушения, причиняемые торнадо, как и ураганами,
определяются давлением скоростного напора ветрового потока, но, кроме
того, взрывным эффектом от быстрого падения давления в центре
торнадо. Железобетонные сооружения обычно являются
устойчивыми к действию торнадо. Наилучшим укрытием от торнадо являются
убежища гражданской обороны, а при их отсутствии — прочные
подвалы зданий.
3.3. Грозы
Гроза — наиболее распространенное опасное атмосферное
явление. При грозе выпадает большое количество осадков, однако наи-
62

большую опасность представляют электрические разряды — молнии.
От молний могут быть расщеплены стволы деревьев, возникнуть
пожары в лесу и зданий, могут быть поражены люди и скот.
Средняя продолжительность одного грозового цикла составляет
примерно 30 мин., а электрический заряд 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, а 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. При этом может пострадать
электротехническое оборудование.
На равнинной местности обычно грозовой процесс включает
образование молний, направленных от облака к земле. Предельное
напряжение пробоя, вызывающее образование ионизированного
канала, составляет около 3-Ю6 В/м. Лавинный заряд движется вниз
ступеньками по 50... 100 м, пока не достигнет земли (ступенчатый
лидер). Когда до земной поверхности остается примерно 100 до,
молния "нацеливается" на какой-либо возвышающийся предмет.
Разряды могут достигать 80 Кл и иметь силу тока от нескольких
единиц до 200 кА. Обычно сила тока быстро нарастает за первые
10...20 мс, а в следующие 200...300 мс происходит медленное ее
снижение до 20% от амплитудной величины.
Обычно ступенчатый лидер переносит вниз отрицательный заряд.
Иногда он переносит и положительный заряд, при этом время
нарастания, а затем уменьшения тока более продолжительно, а
максимальные значения заряда достигают 200 Кл и тока 218 кА.
Шаровая молния — своеобразное электрическое явление. Она
имеет форму светящегося шара диаметром 20...30 см, движущегося
по неправильной траектории и исчезающего беззвучно или со
взрывом. Шаровая молния существует несколько секунд, но может
вызвать разрушения и человеческие жертвы.
Оценка опасности воздействия молнии основана на статистике
частоты гроз с опасными молниями в данном районе. Повторяемость
опасных молний относят к единице площади, что дает возможность
получить величину риска.
Повреждения, наносимые молнией, обусловлены высоким
напряжением, большой силой тока в канале молнии и температурой,
достигающей 40000 К. Сильный ток, прошедший через тело человека
от удара молнии, вызывает остановку сердца.
63

Защита зданий и сооружений от молний состоит в безопасном
заземлении электрических импульсов, т.е. в применении
громоотводов. Считают, что громоотвод притягивает приблизившегося
ступенчатого лидера, образуя защитный конус с углом 90° ниже верхушки
громоотвода. Ударное расстояние h для ударов молнии от головной
части лидера к точке заземления представляют как функцию от
высоты грозового облака Н и величины заряда Q. Удар происходит,
если напряженность поля между головой лидера и заземленной
точкой превысит пробивное напряжение поля, равное в воздухе 3
кВ/см.
Практический интерес представляет зависимость h от
максимальной силы тока i. При средней продолжительности разряда молнии
100 мс, имеем выражение для силы тока i = 2 • 104Q.
Значения ударного расстояния h для молний с различными
величинами разряда i и высотами грозового облака Н представлены на
рис. 3.1. Этот график может быть использован для проектирования
защиты от молний, позволяя установить зону, в которой молния с
определенной величиной разряда будет притянута (данные Шваба и
А.Шейдеггера).
Для защиты человека от молнии на открытом месте необходимо
найти заземленное убежище. Таким убежищем может служить лес.
Отдельно стоящее дерево представляет опасность, так как является
громоотводом, и не исключен пробой между деревом и человеком.
I э К А Н=5км Рис. 3.1. Ударное расстояние h для
различных разрядов i в
зависимости от высоты Н грозовой тучи
\^
а
0 500 1000 К,М
64

Глава 4. Наводнения
Под наводнением понимают значительное затопление местности в
результате подъема уровня воды в реке, озере или море,
вызываемое различными причинами. Среди других стихийных бедствий в
России по повторяемости, площади распространения и
материальному ущербу наводнения стоят на первом месте. Наиболее полное
освещение проблем, связанных с наводнениями на реках, озерах и
водохранилищах, содержится в работах Р.Нежиховского.
4.L Описание наводнений и статистические
данные
Природно-географическими условиями возникновения
наводнений являются: выпадение осадков в виде дождя, таяние снега и
льда, цунами, тайфунь/, опорожнение водохранилищ.
Наиболее часто наводнения бывают дождевого-речного типа.
Другой тип — затопление побережья в результате поднятия уровня
моря при шторме (наводнения нагонного типа). Реже — наводнения
могут являться следствием опускания суши. Наводнения возникают
также при обильном таянии снега, в связи с заторами при ледоходе,
таянием льда при оттепелях. Весьма опасны наводнения, связанные
с разрушением защитных сооружений (дамбы, плотины). Причиной
наводнений может быть недостаточная пропускная способность
водоотводов при грозовых ливнях. Выпадающие на значительных
площадях ливневые дожди могут сильно повысить уровень рек, если
дожди сопровождаются внедрением теплых воздушных масс или
воздействием мигрирующего штормового фронта. При этом от разлива
реки может быть затоплена вся ее пойма.
Наиболее часто сильные ливневые наводнения происходят на
Дальнем Востоке, а также в европейской части России. Для
примера в табл. 4.1 приведены данные о повторяемости наводнений в.
Приморье, а в табл. 4.2 — 0 частоте затопления пойм некоторых
рек. Данные о катастрофических уровнях воды в реках по
многолетним наблюдениям сведены в табл. 4.3.
При таянии снега вода от снега суммируется с дождевой, что
может вызвать наводнение, особенно при внезапной оттепели,
ускоряющей таяние снега. Тем не менее, паводки от таяния снега разви-
3 — 1087
65

ваются медленнее, чем дождевые, что позволяет принять
упреждающие защитные меры.
Таблица 4.1. Повторяемость наводнений в Приморье
(1 раз/лет)
Река
Уссури
Иман
Суйфун
Даубихе
Наводнение
небольшое
1/2
1/2
1/2
1/2
большое
1/4
1/3
1/7
1/4
выдающееся и
катастрофическое
1/9
1/6
1/16
1/10
Таблица 4.2. Частота затопления пойм равнинных рек
(% числа лет)
Район
Северо-Запад
европейской части России
Нижняя Обь
Верхняя Волга
Бассейн Днепра
Часть поймы
притеррасовая
71
95
81
центральная
59
75
68
80
прирусловая
42
65
40
При резкой оттепели после холодной зимы речной лед почти не
размягчается и его ломка происходит с замедлением. При этом
ледяной слой проламывает вздувшаяся река. Большие глыбы льда могут
образовывать заторы у мостов и в узких местах русла, что приводит
к запрудам. Выше затора происходит разлив, а при преодолении
водой затора волна наводнения, распространяясь вдоль русла,
вызывает разрушения.
Крупные наводнения возникают при прорыве ледниковых вод
(воды, скапливающейся под ледником), а также при прорыве дамб
и плотин. Эти прорывы идут при высоких расходах воды.
На формирование наводнений существенное влияние оказывают
геологические факторы. Поэтому важно располагать данными о
геологии бассейна, откуда поступает вода в затопляемую местность.
Эти сведения могут быть взяты из геологических, гидрологических
карт и дополнены данными аэрофотосъемки.
66

Таблица 4.3. Высокие (катастрофические) уровни воды в реках, см (от отметки уровня межени)
1 Река
1 Сев. Двина
Сухона
Нева
Волхов
Неман
Днепр
Дон
Волга
Ока
Москва
Кама
Чусовая
Иртыш
Енисей
Колыма
Шилка
Амур
Зея
Селемужа
Пункт
Архангельск
Великий Устюг
С.-Петербург
Новгород
Смалининкай
. Кременчуг
Днепропетровск
Лоцманская Каменка
Старочеркесская
Ярославль
Н.Новгород
Астрахань
Дедново
Муром
Москва
Березники
Чистополь
Кын
Тобольск
Означенная
Красноярск
Енисейск
Среднеколымск
Сретенск
Комсомольск
Мазанова
Экимчан
До начала регистрируемых наблюдений
Период
1723-1880
1703-1720
1867-1876
-
1760-1876
1760-1876
1760-1817
1740-1876
1841-1876
1719-1849
-
-
-
1788-1888
1688-1880
1858-1875
1837-1880
1753-1889
-
1857-1901
1870-1901
1883-1926
1798-1897
-
-
-
Год
-
1742,1761,1817
-
1867
-
1845
1854
1798
1819
1867
1719
-
1641
1820
1879
1810
-
1837
1794
1879
1857
1870
1882
-
1872
1872
1872
Дата
-
-
-
-
-
-
-
-
-
апрель
-
-
-
-
-
-
-
-
июнь
-
-
май
-
-
-
-
-
Уровень
-
более 930
254
661
-
672
699
525
560
1052
1268
-
793
1163
839
945
1199
617
1088-1114
702
1039
1372
1376
964
-
984
622
С начала регулярных наблюдений
Период
1752-1952
1881-1950
1721-1953
1877-1950
1812-1952
1877-1953
1877-1953
1818-1953
1877-1950
1877-1950
1850-1953
1792-1952
1881-1950
1877-1950
1881-1950
1881-1950
1876-1950
1881-1950
1890-1950
1907-1950
1902-1950
1902-1950
1927-1953
1896-1950
—
1903-1950
1912-1950 |
Год
1811
1936
1824
1922
1962
1931
1931
1931
1917
1899
1926
1926
1908
1926
1908
1914
1926
1914
1941
1916
1941
1937
1942
1897
1898
1928
1924
Дата
май
апрель
ноябрь
май
апрель
май
май
май
апрель
апрель
май
июнь
апрель
май
апрель
май
май
май
июнь
июнь
май
май
июнь
август
—
июль
июль
Уровень]
677
930
375
702
847
701
731
686
597
1026
1288
423
802
1043
915
945
1240
617
951
602
909
1570
1436
964
—
884
412 1

Прочные изверженные породы и метаморфические, а также
уплотненные осадочные, размываются медленно. Поэтому сооружения,
возведенные на этих породах при наводнениях редко оказываются
подмытыми.
Рыхлые отложения, выветрелые и химически измененные породы
менее устойчивы к воздействию воды. Поэтому
сооружения,.возводимые на таких основаниях, могут терять устойчивость.
Наиболее часто на территории России наводнение представляет
собой повышение уровней и расходов воды в реке за счет
увеличения ее притока. В зависимости от времени года, источника притока
воды в русло и его интенсивности наводнения подразделяют на
весеннее половодье и паводок.
Весеннее половодье сопровождается обычно значительным
повышением уровней и расходов воды в реке за счет таяния снега. Вода
полностью заполняет меженное русло и заливает пойму.
Наибольшая высота уровня весеннего половодья зависит от ряда факторов:
величины запасов воды в снеге в бассейне к началу таяния и
характера их распределения в бассейне;
интенсивности и одновременности весеннего таяния снега по басг
сейну;
промерзлости почв бассейна перед таянием снега;
насыщенности водой почв бассейна перед таянием снега;
количества и интенсивности осадков перед весенним наибольшим
подъемом уровня воды в реке.
Продолжительность половодья для малых рек — несколько дней,
для больших рек она составляет 1...3 месяца.
Паводок, т.е. подъем воды в реках от дождей, достигает
наибольших размеров при ливневых осадках. В это время реки обладают
большой энергией, они наиболее активны, несут наибольшие массы
воды и наносов, деформируют дно и берега, представляя серьезную
угрозу наводнения прилегающих районов и промышленных центров.
Большие массы воды грозят разрушением плотин, мостов и других
сооружений в береговой зоне реки.
Паводковые наводнения, как правило, скоротечны, возникают
внезапно и тем самым наносят наибольший ущерб народному
хозяйству. Паводки обычно продолжаются в течение нескольких дней.
Особую опасность для населения представляет наводнение,
вызванное весенним половодьем и одновременно с ним возникшим
паводком.
Кроме природно-географических, на режим рек существенное
влияние оказывают техногенные факторы, т.е. обусловленные хо-
68

зяйственной деятельностью человека. В настоящее время, в связи с
бурным развитием водного хозяйства как в России, так и за
рубежом, большинство рек имеет зарегулированный характер, что
позволяет изменять их бытовой режим (устраивать попуски, создавать
зоны затоплений). В результате несанкционированных действий
человека при эксплуатации гидротехнических сооружений возможны
катастрофические явления, связанные с опорожнением
водохранилищ. В зависимости от времени опорожнения водохранилищ
различают два вида речного стока: волна попуска — медленное
опорожнение и волна прорыва — быстрое (мгновенное) опорожнение. По
своей физической сущности волна попуска (прорыва) представляет
собой неустановившееся движение потока воды, при котором
глубина, ширина, уклон поверхности, скорость течения в любом
рассматриваемом створе изменяются во времени.
Характерными точками волны попуска в ее поперечном сечении
являются фронт, гребень и хвост волны, рис. 4.1.
Основные оценочные параметры волны попуска:
максимальная в данном створе высота волны Нв и глубина
потока Я = Нв + h6 (h6—глубина реки до прохождения волны или
бытовая глубина);
скорость движения Сф~, С2р, Схв и времена добегания
£фр, £гр, tX6 характерных точек волны до различных створов,
расположенных ниже гидроузла;
длительность прохождения волны Тв в выделенных створах,
равную сумме времени подъема Тпод и спада Тсп уровня воды в них;
средние V и поверхностные Vnoe скорости течения в различных
створах;
наибольшая ширина В затоплений речной долины.
Применительно к наводнениям и паводкам поверхность любого речного бассейна
состоит из множества элементарных площадок суши, имеющих
различные углы наклона к горизонту и отделенных друг от друга
микроводоразделами с продольными понижениями разной формы и
глубины. Система этих понижений образует гидрографическую сеть
бассейна, имеющую свой водообмен, зависящий от зоны
расположения реки, озера. Гидрографическая сеть собирает воду со склонов и
транспортирует ее вниз по уклону к замыкающему створу.
69

Рис. 4.1 Принципиальная схема движения волны попуска (прорыва) в
схематизированном русле (Aq ~~ головной клин, Бп — хвостовой клин)
70

Между площадью водосбора реки F и ее длиной L существует
следующее приближенное соотношение:
L, км 10 20 50 100 200 300 500
F, км2 35 120 600 2100 7200 15000 36000
Суммарный сток за половодье обычно выражается в виде
равномерного слоя воды Г, мм, на поверхности бассейна
где ]Г Qt — сумма средних суточных расходов за половодье, м3/сут;
F — площадь водосбора, км2.
Максимальный расход Afmax, м3/(скм2), половодья выражается
в виде
^*тах = Vmax/-** •
Приведенные выражения, на основе данных по кривой расходов
воды для конкретной реки Qmax, позволяют установить возможные
уровни половодья или наводнения. Данные для таких расчетов
можно найти в справочной литературе.
4.2. Влияние наводнений на обстановку в
населенных пунктах и повреждения,
возникающие в результате их воздействия
Обстановка в населенных пунктах существенно зависит от
морально-психологического состояния населения, а также инженерной
обстановки. На морально-психологическое состояние населения
влияют степень и сроки оповещения о предстоящем наводнении,
уровень заблаговременной подготовки населения к действиям в
период наводнения, частота наводнений, время года и суток, скорость
подъема воды и другие факторы.
Если наводнение наступает внезапно и заблаговременная
подготовка населения не проводилась, то возникает паника,
неорганизованное отступление и бегство от стихии, которые приводят к
заторам и пробкам на путях эвакуации, дополнительным жертвам.
Усугубляют эту обстановку холодная, ненастная погода и темное время
суток.
При заблаговременном оповещении и подготовке населения идет
оперативная организованная эвакуация населения и материальных
ценностей, принимаются меры по борьбе со стихией, мобилизуются
органы управления и спасательные команды с техникой.

В населенных пунктах, подвергающихся относительно частому
затоплению (1 раз в 3...5 лет), население, как правило, готово к
приходу стихии, проводит заблаговременные организованные и
технические мероприятия, направленные на защиту от нее и снижение
возможного ущерба. В этих населенных пунктах, как правило,
встречают наводнение без паники. Планомерно обеспечивается
эвакуация населения и спасение материальных ценностей.
Оценка обстановки складывается из оценки параметров
наводнения и их влияния на здания, сооружения, почву, системы
жизнеобеспечения.
Поражающее действие наводнения выражается в затоплении
водой жилищ, промышленных и сельскохозяйственных объектов,
полей с выращенным урожаем, разрушении зданий и сооружений или
снижении их капитальности, повреждении и порче оборудования
предприятий, разрушении гидротехнических сооружений и
коммуникаций.
Последовательная картина затопления города такова: заливаются
подвалы, внутренние дворы, расположенные ниже улиц, затем
улицы и первые этажи зданий. Местность покрывается слоем воды.
Обычно при средних и крупных паводках (табл. 4.3) в первые
же часы нарушаются средства сообщения. На значительных
площадях затопленных территорий телефонная связь и электроснабжение
выходят из строя в течение первого часа. В первые часы также
приостанавливается лоцманская служба в речных портах. Многие
деревянные строения разваливаются и сносятся в течение 3...4 часов.
Защитные дамбы могут выдерживать динамическое давление воды,
однако в течение нескольких дней в них могут образовываться
бреши.
При крупных и катастрофических паводках, когда реки
собирают воду с площадей в несколько сотен квадратных километров,
поток вырывает с корнем деревья, сносит большие каменные глыбы,
каменные ограды и небольшие здания.
В результате размыва оснований и непрерывного углубления
промоин от размывающего действия текущей воды может происходить
разрушение кирпичных зданий в течение 5... 10 суток.
Более устойчивы блочные бетонные здания с фундаментами из
бетонных (железобетонных) плит. Такие здания с заполненными
водой подвалами сохраняют общую устойчивость до нескольких
месяцев. Вследствие затопления в течение нескольких суток
разрушаются мостовые на улицах городов.
72

Хронологию повреждений сохранившихся деревянных построек и
сооружений в период половодий можно установить по шкале
устойчивости древесных пород к затоплению, представленной в табл. 4.4.
Как видно из приводимых данных, предельная продолжительность
устойчивости при хорошей проточности для различных древесных
пород, применяемых в строительстве, колеблется от одного до трех
месяцев. Таким образом, разрушение деревянных зданий и
сооружений связано, в основном, с недостаточной прочностью фундаментов
(исключение составляют свайные фундаменты). При
катастрофических затоплениях, как правило, перекрывается сухопутное
сообщение по шоссейным и железным дорогам, а также по улицам городов
и населенных пунктов. Разрушаются мосты и мощеные дороги. В
результате затопления пашни гибнут посевы. Переправа через
разлившиеся реки почти полностью прекращается. Разрушаются
системы жизнеобеспечения.
Сохранившиеся затопленные здания теряют капитальность.
Деревянные здания повреждаются гнилью. Отваливается штукатурка. В
кирпичных зданиях происходит разрушение кладки с выпадением
кирпичей. Металлические конструкции и арматура железобетона
подвергаются коррозии.
В крупнопанельных зданиях с ограждающими конструкциями из
двухслойных стеновых панелей, изготовленных из неавтоклавного
железобетона, происходит отслаивание пенобетонного утеплителя. В
сплошных стеновых панелях (без оконных проемов) разрушается
слой легкого бетона. Долговечность бетонных и железобетонных
элементов, фундаментных блоков, оголовков свай и ростверков под
действием воды уменьшается, что приводит к уменьшению
капитальности зданий. К снижению капитальности приводит также
замачивание двухслойных и трехслойных стеновых панелей первых
этажей. При недостаточной плотности бетона в защитном слое
железобетонных элементов интенсивно корродирует арматурная сталь.
Так, при увлажнении бетона до 70...90% и небольшой толщине
защитного слоя коррозия арматуры достигает 1 мм в год. Особенно
интенсивно корродируют закладные детали и сварные швы
наружных несущих стеновых панелей. Снижение капитальности зданий в
значительной степени происходит за счет коррозии арматуры из-за
большого влагопоглощения пористым неавтоклавным пенобетонным
утеплителем. Снижению долговечности и капитальности при
затоплении способствует некачественное изготовление крупноразмерных
конструкций, а также повреждение при их термовлажностной
обработке.
73

Таблица 4.4. Шкала устойчивости древесных пород к
затоплению
Древесная растительность
Бук лесной и восточный
1 Каштан благородный
Гранат обыкновенный
Кизил
Персик
Клен полевой и остролистный
Акация белая
Сирень обыкновенная
Лимонник китайский
Орех волошский
Виноград лесной
Ель канадская
Можжевельник обыкновенный
Пихта бальзамическая
Ель сибирская
Кедр сибирский
Бузина красная
Сосна желтая
Тополь
Платан восточный
Липа амурская
Дуб черешчатый
Ясень обыкновенный
Вяз средний
Клен татарский
Крушина ломкая
Черемуха обыкновенная
Сосна обыкновенная
Рябина обыкновенная
Береза бородавчатая
Вяз шершавый
Ясень черный
Туя западная
| Сирень амурская
Предельная

продолжительность
затопления, сут
3...5
10...20
20...30
30...45
1,5...2,0
месяца
1,5...2,0
месяца
2,0...3,0
месяца
2,0...3,0
месяца
Условия
проточ-
ности
хорошие]
—
-
—
средние
хорошие
хорошие
хорошие
и
средние
Тепловое со- 1
стояние воды
холодная и
прохладная
холодная и
прохладная
холодная и
прохладная
холодная
-
—
—
—
Одной из основных причин разрушения зданий при наводнениях
является водонасыщение и размыв грунта основания. Водонасыще-
74

ние приводит к разжижению грунта, вследствие чего он теряет
прочность и подвергается вымыванию. Увеличение давления поро-
вой воды снижает сопротивление грунта сдвигу (т.е. его прочность),
а при обнулении прочности неизбежно катастрофическое
разрушение зданий. При частичном сохранении прочности грунта оснований
под фундаментами происходит неравномерная осадка зданий с
появлением трещин. Вследствие неравномерной осадки рвутся
канализационные, газовые и водопроводные трубы, электрические кабели.
От разрыва электрических кабелей и замыканий возможно
появление пожаров.
Особенно сильное влияние влаги на понижение капитальности
зданий проявляется на пучинистых и просадочных грунтах. Пучение
грунтов вызывается резким увеличением объема воды в порах
грунта при переходе бе в твердое состояние при промерзании. В
неблагоприятных условиях наблюдается пучение грунта, достигающее
25...30 см. Пучению могут подвергаться блочные и даже свайные
фундаменты. Так, выпучивание свай на водонасыщенных
пылевидных суглинках начинается при глубине промерзания 0,8...1,0 м,
причем сила выпучивания достигает 150...200 кН, а давление на
боковой поверхности фундамента может составлять 1 МПа. При
промерзании пучинистого водонасыщенного грунта ниже подошвы
фундамента до 10 см возможен подъем наружных стен двухэтажных
зданий в среднем на 5...6 см, а при промерзании на 40 см — на
22...24 см. Такой подъем вызывает опасные деформации наружных
и внутренних стен.
При замачивании грунтов оснований на просадочных грунтах
(особенно распространенных на юге Западной Сибири) просадка
крупнопанельных домов проходит со скоростью 30...35 мм в сутки,
за 15 суток достигает полуметра, а за месяц — более метра.
Просадка поверхности грунта вокруг зданий сопровождается образованием
трещин в радиусе до 25 м.
Хронологию разрушения некоторых сооружений можно
установить, рассматривая процесс геоморфологического воздействия
подземных (поровых) вод на консолидацию грунта основания. В
результате вытеснения воды из открытого порового пространства под
влиянием давления от вышележащих слоев грунта и веса
сооружения происходит уплотнение (консолидация) грунта и просадка
основания.
Скорость осадки оснований в результате размыва, а затем
консолидации зависит от скорости отжатая воды, однако после оттока во-
75

ды просадка будет продолжаться некоторое время до полной
стабилизации. Темп осадки Z во времени t определяется по формуле
Z = Y + Aexp{-\St),
где Y — осадка после прекращения оттока воды; t — время; А,В —
константы, определяемые экспериментально для конкретного
грунта.
Эрозийное действие потока зависит от динамики его
формирования и спада уровня потока (например, после прекращения
ливневых дождей). Эти данные можно прогнозировать на основе
физического моделирования процесса или теоретического решения задачи
на ЭВМ, применительно к конкретному району. В общем случае
моделирование данной задачи представляет значительные трудности,
однако для частных ситуаций имеются разработанные методы. Так,
например, на ЭВМ успешно моделируется динамика формирования
пластового потока, стекающего по склону местности и действующего
на подстилающие породы. Наводнение на равнинах происходит по
схеме пластового потока, однако повреждения от наводнений
средних и крупных каменных, железобетонных и кирпичных строений,
в основном, определяются не столько энергией (скоростью) водного
потока, сколько тем, что вода заливает подвалы и фундаменты
домов. Поэтому важен прогноз режима затопления, чтобы оценить
возможную глубину воды, а также скорость потока.
Средние значения параметров при затоплениях, которые можно
принять за основу при оценке возможного ущерба в городах и
населенных пунктах, следующие:
высота подъема воды
над уровнем реки, водоема, м 2... 14
площади затопления, км 10... 1000
то же, населенных пунктов (%) 20..Л00
максимальные расходы воды
в периоды половодья рек, м3/с
при площади водосбора 500 км2 100...400
1000 400...1500
10000 1500...4500 ,,
продолжительность паводков
(паводковых волн), сут. 1...2
продолжительность половодий
на малых реках, сут. 1...3
на крупных реках, месяц 1...3
скорости потока, при паводках, м/с 2...5
76

Паводковые волны при движении их по руслу реки наносят
колоссальный ущерб народному хозяйству. В первую очередь они
представляют серьезную опасность для населения в результате
внезапного затопления жилых построек и административных зданий.
Огромные массы воды, скопившиеся в верховьях реки, подобно
смерчу или урагану способны сносить все встречающееся на своем
пути. При этом возникает резкое повышение уровня воды до
максимальных (катастрофических) отметок (8... 10 м), увеличивается
скорость водного потока (до 3...5 м/с) и образуются значительные
зоны затоплений. Уровни воды достигают своих катастрофических
отметок в короткое время (1...2 суток).
Отдельным вопросом может стать оценка воздействия
паводковых волн (волн попуска) на все инженерные коммуникации,
пресекающие русло реки, — мосты и дороги.
Воздействие паводковых волн, волн попуска (прорыва) на
постоянные мостовые переходы может быть следующим:
удар движущегося фронта волны;
длительное гидравлическое давление на элементы моста (опоры
моста, береговые устои, пролетные строения);
размыв грунта между опорами (общий размыв) и подмыв опор
(местный), разрушение регуляционных сооружений, земляных
насыпей (эстакад) на подходах к мосту;
медленное затопление местности, сооружений и дорог без
существенного их разрушения на подходах к мостовому переходу;
удары массивных плывущих предметов по опорам и пролетному
строению моста;
образование заторов плывупщх предметов и образование
стеснений потока, что создает дополнительный подпор с верховой стороны
моста.
Качественной оценкой на стадии прогнозирования возможных
последствий воздействия паводковых волн на постоянные мостовые
переходы могут стать данные табл. 4.5. Из таблицы видно, что в
рассматриваемых случаях наиболее уязвимыми элементами
мостового перехода от воздействия водного потока являются собственно
мост и его защитные элементы (44% и 33% соответственно случаев
разрушения). В меньшей степени повреждаются подходы к мостам
— 23%. Основной причиной разрушения всех элементов мостового
перехода является размыв грунта (общий, местный) — 77% от всех
случаев.
77

Таблица 4.5. Анализ статистических данных по разрушению
постоянных мостовых переходов от паводков
Наименование дефектов
Мосты
Общий размыв русел из-за недостаточности отверстия
(включая пойменные участки, перекрытые
эстакадами)
Местные размывы опор
Подтопление пролетных строений
Итого:
Подходы к мостам
Подтопление и перелив через насыпи (спокойным
уровнем и волной)
Размыв основания и откосов насыпи
Фильтрация через тело насыпи и ее сползание
Итого:
Регуляционные сооружения
Местный размыв основания регуляционных
сооружений и конусов
Перелив через дабы и траверсы
Повреждение регуляционных сооружений продольным
течением
Фильтрация и оползание тела сооружения
| Итого:
| Всего:
% от обще- 1
го числа
18
24
2
44
10
12
1
23
23
4
3
3
33
100
Оценку сохранности подходов к мосту можно получить по
значениям допустимых нагрузок от силового воздействия потока. Данные
о предельно допустимых параметрах водного потока приведены в
табл. 4.6...4.8.
В табл. 4.9 указаны условия разрушения плотин к дамб при
прорыве воды, а в табл. 4.10 — характер последствий при разрушении
гидроузлов по опыту их эксплуатации.
Участки местности, подвергшиеся затоплению, переувлажняются
в результате проникания воды с поверхности. Переувлажнение
грунтов сопровождается снижением их несущей способности. С
увеличением влажности грунтов затрудняются условия преодоления их
колесными и гусеничными машинами. Так, при полном водонасыще-
нии грунтов, когда они переходят в текучее состояние, движение
78

колесных машин практически исключается, а гусеничных сильно
ограничивается.
Таблица 4.6. Предельно-допустимые параметры потока при
отсутствии перелива воды через отметку проезжей части
Наименование укреплений
Сборные железобетонные плиты,
омоноличенные по контуру
Сборные железобетонные разрезные
плиты
Монолитные железобетонные плиты
Сборные бетонные плиты
Каменная наброска при размере
камня 0,L..0,3 м
Хворостяные тюфяки
Продольные лесопосадки
Дерновка плашмя
[ Засев трав
Скорость
течения,
м/с
8
6
8
4
2...3
3
3
0,9...1,4
0,5
Высота
ветровой
волны, м
3
1,5
3,5
0,7
0,5...1,2
1,5
2,5
0,2
—
Интен- 1
сивность
ледохода
сильный
сильный
сильный
слабый
средний
1 слабый
слабый
слабый
1 ~~
Таблица 4.7. Предельно допустимые скорости водного
потока, при которых обеспечивается сохранность объектов
(при переливе воды через отметку проезжей части)
Наименование объектов
Скорость потока, м/с,
при глубине, м
0,4
1
Железнодорожные пути
Шоссейные дороги с асфальтобетонным
покрытием
Дороги с гравием (щебеночным) покрытием
1,5
2,1
1,5
1,8
2,5
1,8
2,1
2,9
2,1
2,3
3,1
2,3
Размер ущерба при затоплениях зависит от исходной
капитальности здания (сооружения), которому соответствует определенное
значение расчетной обеспеченности Р(%). (Повторяемость N лет
определенной величины максимального уровня воды соответствует
обеспеченности Р = 100/N < 50%). Проектирование сооружений
должно проводиться с учетом конкретных значений максимумов уровней
определенной повторяемости. Поэтому ожидаемая величина ущерба
79

может быть оценена по проектному классу капитальности
сооружения.
По капитальности жилые здания подразделяют на шесть классов
(групп), а общественные — на девять классов, которым
соответствуют нормативные сроки службы (долговечность) основных
конструкций (лет). Для первых четырех классов долговечность такова:
класс капитальности I II III IV
жилые здания 150 125 100 —
общественные здания 175 150 125 100
Таблица 4.8. Параметры водного потока с предельно
допустимыми нагрузками и условия сильных (А), средних (Б)
и слабых (В) разрушений
Наименования объектов
Металлические мосты и
путепроводы с пролетом 30... 100 м
То же более 100 м
Железобетонные мосты
Деревянные мосты
Шоссейные дороги с
асфальтобетонным покрытием
Дороги с гравийным (щебеноч-
1 ным) покрытием
А
м
2
2
2
1
4
2,5
м/с
3
2,5
3
2
3
2
Б
м
1
1
1
1
2
1
м/с
2
2
2
1,5
1,5
1,5
в I
м
0
0
0
0
1
0,5
м/с
0,5
0,5
0,5
0,5
1
0,5
Плотины по капитальности подразделяют на четыре класса (в
зависимости от грунта основания и высоты плотины). Класс
капитальности также установлен для электростанций (тепловых и
атомных), портовых сооружений.
Для первых трех классов жилых особо капитальных зданий
конструкции их таковы:
1 — каменные капитальные здания: фундаменты каменные и
бетонные, стены каменные (кирпичные), крупноблочные и
крупнопанельные; покрытия железобетонные;
2 — здания каменные обыкновенные: фундаменты каменные;
стены кирпичные и крупноблочные; перекрытия железобетонные или
смешанные (деревянные и железобетонные);
3 — здания каменные облегченные: фундаменты каменные и
бетонные; стены облегченной кладки из кирпича, шлакобетона или
ракушечника; перекрытия деревянные или железобетонные.
80

Таблица 4.9. Условия разрушения плотин и дамб
при условиях прорыва: толщине Н слоя переливающейся воды
и длительности Т перелива
Наименование объектов
Плотины из местных материалов с защитным покровом
повышенной надежности '
Плотины из местных материалов с нормальным или
облегченным покрытием откосов 2
Земляные дамбы с защитным покрытием
Земляные дамбы без покрытия
Я, м
4
2,5
2
1,5
Т,ч
3
2
2
1
К особо капитальным отнесены также первые четыре класса
общественных зданий. Остальные классы зданий относятся к
различным типам облегченных конструкций.
Следует отметить, что сроки службы различных конструктивных
элементов здания конкретного класса могут быть неодинаковы. Так,
для несомненно долговечных особо капитальных жилых зданий со
сроком службы 150 лет этой долговечности отвечает фундамент,
перекрытия, лестничные марши, тогда как полы, обрешетка,
перегородки и кровля служат только около 50 лет.
Меньший ущерб при затоплениях можно ожидать для
сооружений 1...3 классов, больший — для остальных.
Различают прямой и косвенный ущерб от наводнений.
К прямому ущербу относят:
повреждения и разрушения жилых, общественных и
производственных зданий, железных и автомобильных дорог, линий
электропередачи и связи, мелиоративных систем;
гибель скота, урожая сельскохозяйственных культур;
уничтожение и порчу сырья, топлива, продуктов питания, кормов
и удобрений;
затраты на временную эвакуацию населения и перевозку
ценностей в незатопленные места;
смыв плодородного слоя почвы и замыв почвы песком.
1 На верхнем откосе — бетонные и железобетонные плиты,
асфальтирование; на низовом — одерновка, слой гравия или одиночное мощение
камнем; ширина гребня 10... 12 м с асфальтобетонной по гребню дорогой
2 На верхнем откосе — каменная наброска или каменное мощение; на
низовом — посев трав на слое растительного грунта; ширина гребня
6...8 м
81

К косвенному ущербу относят:
затраты на приобретение и доставку в пострадавшие районы
продуктов питания, строительных материалов, кормов для скота;
сокращение выработки продукции и замедление темпов развития
народного хозяйства;
ухудшение условий жизни населения;
невозможность рационального использования территорий;
увеличение амортизационных расходов по содержанию зданий в
нормальном состоянии.
Материальный ущерб от наводнений в городе связан, главным
образом, с площадью, глубиной и, отчасти, продолжительностью
затопления. Для сельского хозяйства решающее значение имеют
время (сезон) и продолжительность затопления.
При сравнительно частых затоплениях (один раз в 3...4 года),
как их следствие, срок межкапитальных ремонтов кирпичных
зданий уменьшается на 15 лет, стоимость ремонта обходится в 3 раза
дороже. После каждого значительного затопления балансовая
стоимость деревянного здания падает на 5... 10%, а шоссейной и
железной дороги - на 8...12%.
Чем меньше город, тем шике удельный материальный ущерб от
наводнения. Для города с населением до 50 тысяч жителей и с
преобладанием одно, двухэтажной деревянной застройки ущерб
составляет примерно 10...20 тыс. руб. на гектар, а в крупных городах —
50...100 тыс. руб. на гектар и более (в ценах 1988 г.) .
Ущерб сельскохозяйственных культур резко возрастает при
глубине затопления свыше 0,4...0,5 м. В качестве оценочной величины
является время летнего затопления без снижения урожайности (в
сутках):
зерновые, картофель 0,5...0,7
овощи, корнеплоды, силосные 0,8... 1,0
сеяные многолетние травы 1,0... 1,5
Осушительные мероприятия на поймах должны быть выполнены
с таким расчетом, чтобы после летних затоплений обеспечить отвод
избыточной воды из корнеобитаемого слоя в такие сроки (в
сутках):
для слоя почвы
зерновые, картофель, овощи
сеяные многолетние травы
0...25 см
1,2...1,5
2...3
0...50 см
2...3
4...5
82

Таблица 4.10. Характер последствий катастрофических разрушений гидроузлов по опыту их эксплуатации
1 Название, местоположение,
время разрушения плотины
1 Пуэнтос, Испания, 1802 г.
Шеффидская, Англия,
1864 г.
Саугфоская, США, 1889 г.
Уэлт Грув, США,
Бузейская, Франция, 1895 г.
Аустин, США, 1900 г.
Аустин, США, 1911 г.
Лоутер-Отей, США, 1916 г.
I Основные характеристики плотины
Тип плотины

гравитационная,
кирпичная кладка
земляная
замляная с
камнем
каменно-
набросная
каменная

гравитационная каменная
кладка

гравитационная, бетонная
каменно-
набросная
I Макс,
высота,
м
50
24
21,5
33,6
22
18,3
15,2
39,0
Объем
водохран.,
млн.м3
52
3,25
более 2
85
7,1
0,75
1 Причина
разрушения
плотины
фильтрация
основания
плотины

катастрофический
паводок
паводок,
перелив воды
паводок,
неисправность
водоспуска
трещина в
теле плотины
перелив воды
выше
расчетного уровня
нарушения
тех. норм
строител.
фильтрация и
перелив воды |
1 Максима-
льная
высота
волны про
рыва, м
(зоны
затопления,
м)
ЗЗ(-)
-(12)
Время

опорожнения,
мин
(скорость
распрост.
ВП, м/с)
60(-)
45(-)
45(22)
-(17,9)
-(2,78)
15(-)
Последствия прохождения
волны прорыва
Степень
разрушения
инженерных
сооружений
800 домов
800 домов
снесены все
заводы
(локомотивы),
населенные пункты
разрушена
плотина на
удалении 20 км
разрушены
деревня, железная
дорога
разрушена
машина и здание
ГЭС
снесены все
здания
1 Число 1
жертв
(человек)
680
238
2500
129
156
8
100
14

Таблица 4.10. Продолжение
1 Название, местоположение,
время разрушения плотины
Глено, Италия, 1923 г.
Коедти, Англия, 1925 г.
Сент—Франсис, США,
1928 г.
Селла-Зербино, Италия,
1935 г.
Мене, Германия, 1943 г.
Эдер, Германия, 1943 г.
Мальпасе, Франция, 1959 г.
Орос, Бразилия, 1960 г.
Основные характеристики плотины
Тип плотины
железобетон-
нал
земляная,
бетонная

гравитационная бетонная

гравитационная, бетонная
каменная
гравитационн
ая каменная
кладка
арочная,
бетонная
земляная
Макс,
высота,
м
52,0
10,8 0
62,6
16,5
40
40
60
54
Объем
водохран.,
млн.м3
6
0,3+(4,5)
47
18
150
202
22
4000
Причина
разрушения
плотины
низкое
качество
строительст
разрушение
вышераполож
гидроузла
паводок
перелив воды,
размыв
основания
бомбардировка
спец. бомбами
бомбардировка
спец. бомбами
полный напор
воды
паводок,
перелив воды

Максимальная
высота
волны про
рыва, м
(зоны за
топления,
км)
ЗО(-)
-(Ю)
Время

опорожнения,
мин
(скорость
распрост.
ВП, м/с)
15(-)
60(-)
Ю(-)
25(-)
-(14)
Последствия прохождения
волны прорыва
Степень
разрушения
инженерных
сооружений
снесены все
дома и мосты на
участке 27 км
много домов
разрушено
снесены мосты
на растоянии 14
км
залито 8 тыс. га
территории
разрушение
низлежащей
плотины, ГЭС
илистые наносы
6-7 м,
разрушены ж.
дороги, мосты
снесено два
города,
разрушено 4200
домов
Число
жертв
(человек)
600
16
400
100
1200
68
421
50

Таблица 4.10. Продолжение .
1 Название, местоположение,
время разрушения плотины
1 Кхадоквасла, Индия, 1961 г.
Вайот, Италия, 1963 г.
Болдун-Хилз, 1963 г.
Коньен-Лейк, США, 1972 г.
Основные характеристики плотины
Тип плотины
бетонная
кладка
арочная,
бетонная
земляная
земляная
Макс.
высота,
м
30
265,5
71
6
Объем
водохран.,
млн.м3
ПО
150
0,91
Причина
разрушения
плотины
от волны
переливы выше
располож.плот
ины
оползень
размыв
низового откоса
паводок

Максимальная
высота
волны про
рыва, м
(зоны
затопления,
км)
70(12,5)
Г Время

опорожнения,
мин
(скорость
распрост.
ВП, м/с)
(8)
77(-)
Последствия прохождения
волны прорыва
Степень
разрушения
инженерных
сооружений
поврежден
г.Роно,
разрушено 5
тыс. домов
разрушены
города, ж.
дороги, мосты
повреждено 986
домов, 41 дом
снесен
смыто 7 мостов,
ж.полотно, 80
домов
Число 1
жертв
(человек)
100
3000
5
300
1

Несоблюдение этих условий ведет к потере урожая и ухудшению
качества продукции. Ниже приведена оценка выживаемости озимой
ржи на торфяно-болотистых почвах в зависимости от
продолжительности затопления Т:
Г (сутки) 0 2 4 6 11 14
Гибель урожая (%) 0 9 17 27 45 97
При катастрофических затоплениях, когда водой заливается
значительная территория (площадь порядка тысяч квадратных
километров) с расположенными на ней населенными пунктами,
возможные составляющие ущерба следующие:
промышленность 17 %
транспорт и связь 9%
сельское хозяйство 60%
другие отрасли 14%
Прямой и косвенный ущерб находятся в соотношении 70/30 %.
В табл. 4.11 указаны возможные изменения долей Ар(%)
поврежденных объектов в городах и населенных пунктах на затопленных
площадях при крупных паводках в период их интенсивного
воздействия (от одного часа до двух суток) при средних скоростях потока
V= 3...4 м/с. Эти данные можно использовать при иных скоростях:
для V = 1,5...2,5 м/с доля повреждения определяется умножением
Ар на коэффициент Кр = 0,6, а для V = 4,5...5,5 м/с —
умножением на Кр = 1,4 при ограничении Кр -Ар <= 100%.
Возможные размеры зон поражения и объемы ущерба при
воздействии затоплений в периоды половодий в зависимости от высоты
подъема и продолжительности стояния воды для малых и больших
рек приведены в табл. 4.12, 4.13. Объем ущерба фиксируется по
снижению класса капитальности в результате воздействия в
зависимости от значений поражающих факторов затоплений. Для
компактности таблиц классы капитальности указаны арабскими
цифрами.
4.3. Меры по уменьшению ущерба от
наводнений и катастрофических паводков
По сложившейся практике работы по борьбе с наводнениями и
по ликвидации их последствий условно делятся на три этапа.
Первый этап:
86

прогноз стихийного бедствия и организация работ по снижению
возможных чрезвычайных ситуаций;
оповещение руководителей учреждений, объектов народного
хозяйства, членов постоянной чрезвычайной комиссии (ПЧК),
командиров воинских частей и населения; приведение в готовность ПЧК,
органов управления ГО и воинских частей; анализ возможной
обстановки;
проведение подготовительных мероприятий по снижению
возможных потерь и ущерба (обваловка различных сооружений,
укрепление дамб и мостов), приведение в готовность аварийно-технических
средств, уточнение расчета сил и средств на возможную эвакуацию,
определение маршрутов эвакуации, организация взаимодействия.
Таблица 4.11. Доля поврежденных объектов на затопленных
площадях (в процентах) при крупных паводках (скорость
потока V = 3...4 м/с)
Объект
Затопление подвалов
Нарушение дорожного движения
Разрушение уличных мостовых
Остановка службы в портах
Прекращение переправ
Повреждения защитных дамб
Разрушение и смыв деревянных
строений
Разрушение небольших
кирпичных зданий
Повреждения блочных бетонных
зданий и промоины фундаментов
Понижение капитальности на
одну ступень:
зданий классов 1...3
>3
Прекращение электроснабжения
Прекращение телефонной связи
Повреждения систем газо- и
водоснабжения
1 Гибель урожая
период
1 1
~ТсП
15
—
—
5
—
—
—
—
—
—
75
75
—
1 —
2|
~Т5|
30
—
50
30
—
7
—
—
—
10
1 80
85
—
—
(часы
з!
~Ж|
60
3
75
60
—
70
10
—
—
20
90
100
7
1 —
) 1
4
~60|
75
6
90
100
—
90
40 .
—
—
30
100
10
1 —
(сутки)1
1
~85~1
95
30
100
10
1 юо
50
5
3
45
30
1 3
2]
~90|
100
45
25
60
10
6
60
70
1 8
87

Таблица 4.12. Возможные размеры зон поражения, высота
подъема воды и индексы объема ущерба в периоды половодий
(объемы ущерба см. табл. 4.13)
Вид
половодья
Малое
Среднее
Крупное


рофическое
Плошадь затоплений
кв. км
10
10...100
100...1000
>1000
%
населен,
пунктов
15...20
20...40
40...95
95...100
Высота
подъема
воды, м
1,5...2
2...4
4...6
6...14
Продолжительность
стояния воды
малые реки
(сутки)
1
С1
К1
Р1
2
С2
К2
Р2
3
СЗ
КЗ
РЗ
большие
реки (месяцы)
1
С4
К4
Р4
2
С5
К5
Р5
3
С6
Кб
Р6
Второй этап:
проведение мероприятий по спасению населения: укрепление
дамб и других гидросооружений; наведение переправ; эвакуация в
незатопленные районы детских и лечебных учреждений, населения,
сельскохозяйственных животных; вывоз материальных и
культурных ценностей; поиск и спасение людей и животных;
жизнеобеспечение населения: снабжение имуществом и
продуктами пострадавших; восстановление поврежденных систем водо-,
тепло-, электроснабжения и связи; восстановление железных и
автомобильных дорог и мостов.
Третий этап:
восстановление жилищного фонда;
ввод-в строй объектов социальной сферы, сетей тепло- и
энергоснабжения;
уборка сохранившегося урожая;
восстановление коммуникаций (дорог и мостов).
Объем мер по уменьшению ущерба от наводнений и паводков, а
также эффективность мероприятий по ликвидации последствий в
значительной степени определяется объективностью
прогнозирования. В основу планирования мероприятий по уменьшению ущерба
должны быть положены научно обоснованные выводы
специалистов-гидрологов, гидравликов, гидротехников, гидрометеорологов и
других специалистов водного хозяйства.
88

Таблица 4.13. Снижение капитальности зданий и сооружений
за периоды половодий при исходных классах капитальности К
Объекты
Жилые
здания
1
Общественные и

мышленные здания
1 Электро-
1 станции
К
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
Классы капитальности от воздействия по индексам
С, К, Р 1
С1/К1/Р1
1/1/1
2/2/2
3/3/3
4/4/4
1/1/1
2/2/2
3/3/3
4/4/5
1/1/1
2/2/2
С2/К2/Р2
1/1/1
2/2/2
3/3/3
4/4/5
1/1/1
2/2/2
3/3/3
4/4/5
1/1/1
2/2/2
СЗ/КЗ/РЗ
1/1/1
2/2/2
3/3/4
4/4/5
1/1/1
2/2/2
3/4/4
5/5/6
1/1/1
2/2/2
С4/К4/Р4
1/1/1
2/2/3
3/3/5
5/5/6
1/1/1
2/3/3
3/4/5
5/6/6
1/1/1
2/2/3
С5/К5/Р5
1/2/2
2/3/3
3/4/5
5/5/6
1/1/2
2/3/4
3/5/6
5/6/7
1/2/2
1 2/3/3
С6/К6/Р6 I
2/2/3
3/3/4
4/4/6 1
6/6/6
1/2/3
3/4/5
4/5/7
6/7/8
2/2/2
3/3/4
В качестве заблаговременных мероприятий по борьбе с
наводнениями целесообразно предусматривать следующее:
1. Проведение агромелиоративных мероприятий, способствующих
переводу скоротечного поверхностного стока в замедленный
подземный сток: посадка лесозащитных полос; распашка земли поперек
склонов; сохранение прибрежных водоохранных полос древесной и
кустарниковой растительности; устройство террас на склонах.
2. На средних и крупных реках для регулирования паводкового
стока использовать водохранилища. В предвидении наступающего
паводка водохранилище частично опорожняется для принятия
паводковых вод и тем самым сглаживается воздействие паводковой
волны.
.3. Защита населенных пунктов, сельскохозяйственных угодий
ограждающими дамбами.
4. Подсыпка территории (намывка грунта).
5. Постановка на учет местных плавсредств и уточнение задач их
владельцам в случае наводнения.
Целесообразно создание сети оповещения руководителей
учреждений, объектов народного хозяйства и населения;
поддержание в постоянной готовности аварийно-технических
средств;
уточнение расчета сил и средств на возможную эвакуацию
населения;
определение маршрутов эвакуации населения;
89

организация взаимодействия с воинскими частями;
проведение тренировок по действиям в случае наводнения.
В штабах ГО, специальных воинских частях и организациях,
принимающих участие в ликвидации последствий, должны быть
заранее разработаны планы, основанные на данных прогнозирования
возможных наводнений.
Последовательность прогнозирования последствий паводков
(наводнений) может быть следующей:
1. По данным об основных параметрах прохождения паводковых
волн (волн прорыва), полученных в результате гидрологических
расчетов, или из справочных материалов (топографических карт,
справочных пособий по рекам и т.д.), производится оценка
изменения гидрологического режима реки (скорости течения, глубины и
ширины) во времени и по всему расчетному участку.
2. Производится оценка образования зоны затопления и
изменения ее во времени на отдельных участках (створах).
3. Оцениваются возможные последствия от воздействия
паводковой волны (волны прорыва) на инженерные сооружения и
местность, оказавшиеся в зоне затопления.
4. Производится оценка возможности применения переправочных
средств для эвакуации населения при прохождений паводковой
волны (волны прорыва) во времени и по всему расчетному участку
реки.
5. Производится оценка условий проходимости участков
местности, подвергшихся затоплению, т.е. условия подходов и выходов к
местам, планируемым для эвакуации населения.
6. На основе качественной оценки основных параметров
прохождения паводковых волн и последствий составляются исходные
данные для определения конкретных сил и средств для спасения и
эвакуации из зон затопления.
Для представления полной картины прохождения паводковой
волны (волны прорыва) целесообразно составить график движения
волны, рис. 4.2. Основой для построения графика могут служить
данные, которые приводятся на топографических картах. Объемы
затопления местности на стадии прогнозирования также могут
определяться по топографической карте с нанесением на нее границы
зоны затопления.
При оценке зоны затопления, в первую очередь, оценивают те
инженерные сооружения, которые оказывают существенное влияние
на организацию эвакуации населения. Это - постоянные мостовые
90

переходы, ограждающие дамбы, постройки, причалы местных
плавсредств; а также лесные массивы, острова, старые русла рек.
Рис. 4.2. График прохождения волны паводка (прорыва): 1 — гребень;
2 — фронт; 3 — хвост волны (пример)
Кроме того, при оценке зоны затопления определяется
воздействия паводковой волны на подходы и выходы к объектам,
подвергшимся затоплению и предполагаемым местам эвакуации населения.
Для этого определяется величина слоя воды над поверхностью,
время ее стояния, уклоны местности, способствующие спаду воды в
основное русло. Выявляются пониженные участки местности
(впадины, русла, канавы, каналы), при затоплении которых могут
образовываться на подходах к реке дополнительные препятствия.
При оценке сохранности мостовых переходов от воздействия
паводковых волн (волн прорыва) необходимо учитывать, что все их
элементы приспособлены для пропуска определенного (расчетного)
водного потока. Оценочной величиной является расчетный расход
воды Q, м3/с, который нормируется СНиП 2.05.03-84 и 2.01.07-85,
0 = o>VB,
где со — площадь водопропускного отверстия, соответствующая
максимальному уровню воды, м2; Vn — скорость потока при
максимальном уровне, м/с.
Условиями сохраняемости мостового перехода является
соблюдение неравенств
Нкр ^ Нрп > vkp ^ Vpn 1
91

где Hkp — высота катастрофического паводка, м; УЛр — скорость
течения при катастрофическом паводке, м/с; Н — высота расчетного
паводка, м; V — скорость течения при расчетном паводке, м/с.
Сохранность подходов к мостам может быть оценена по данным
табл. 4.5...4.7.

Глава 5. Селевые потоки
Селевым потоком (селью) называют временный горный поток
смеси воды и большого количества обломков горных пород от
глинистых частиц до крупных камней и глыб, производящий за
относительно короткий промежуток времени значительные изменения
русла водотока и формирующий в результате распада селевой смеси
или прекращения движения специфические отложения. Высокая
плотность и большие скорости обеспечивают высокий
энергетический уровень селя, представляющего поэтому большую опасность
для различных объектов народного хозяйства.
Селевой поток может распространяться на большие расстояния и
производить массовые заграждения и разрушения на пути своего
движения. При этом расход и объем селевого потока при движении
вниз по руслу может увеличиваться по сравнению с первоначальным
прорывом в десятки раз, особенно за счет эрозионного разлива
русла.
5.7. Описание селевых потоков
Потенциальный селевой очаг - участок селевого русла или
селевого бассейна, имеющий значительное количество рыхлообломочно-
го грунта или условий для его накопления, где при определенных
условиях обводнения зарождаются сели. Селевые очаги делятся на
селевые врезы, рытвины и очаги рассредоточенного селеобразова-
ния.
Селевой рытвиной называют линейное морфологическое
образование, прорезающее скальные, задернованные или залесенные
склоны, сложенные обычно незначительной по толщине корой
выветривания. Селевые рытвины отличаются небольшой протяженностью
(редко превышают 500...600 м) и глубиной (редко более 10 м).
Угол дна рытвин обычно более 15°.
Селевой врез представляет собой мощное морфологическое
образование, выработанное в толще древних моренных отложений и
чаще всего приуроченное к резким перегибам склона. Кроме древне-
моренных образований селевые врезы могут формироваться на
аккумулятивном, вулканогенном, оползневом, обвальном рельефе.
Селевые врезы по своим размерам значительно превосходят селевые
рытвины, а их продольные профили более плавные, чем у селевых
93

рытвин. Максимальные глубины селевых врезов достигают 100 м и
более, площади водосборов селевых врезов могут достигать более 60
км2. Объем грунта, выносимый из селевого вреза за один сель,
может достигать 6 млн.м3.
Под очагом рассредоточенного селеобразования понимают
участок крутых (35...55°) обнажений, сильно разрушенных горных
пород, имеющих густую и разветвленную сеть борозд, в которых
интенсивно накапливаются продукты выветривания горных пород и
происходит формирование микроселей, объединяющихся затем в
едином селевом русле. Они приурочены, как правило, к активным
тектоническим разломам, а их появление обусловлено крупными
землетрясениями. Площади селевых очагов достигают 0,7 км2 и
редко больше.
Вид селевого потока определяется составом селеобразующих
пород. Селевые потоки бывают: водно-каменными; водно-песчаными и
водно-пылеватыми; грязевыми; грязекаменными или каменно-грязе-
выми; водно-снежно-каменными.
Водно-каменный сель - такой поток, в составе которого
преобладает крупнообломочный материал. Формируется в основном в зоне
плотных пород.
Водно-песчаный и водно-пылеватый сель - такой поток, в
котором преобладает песчаный и пылеватый материал. Возникает, в
основном в зоне лессовидных и песочных почв во время интенсивных
ливней, смывающих огромное количество мелкозема.
Грязевой сель близок по своему виду к водно-пылеватому.
Формируется в районах распространения пород преимущественно
глинистого состава.
Грязе-каменный сель характеризуется значительным
содержанием в твердой фазе глинистых и пылеватых частиц с явным их
преобладанием над каменной составляющей потока. Каменно-грязевой
сель отличается преимущественно содержанием крупнообломочного
материала, по сравнению с грязевой составляющей.
Водно-снежно-каменный сель - переходная стадия между
собственно селью, в которой транспортирующей средой является вода, и
снежной лавиной.
Формирование селей обусловлено определенным сочетанием
геологических, климатических и геоморфологических условий:
наличием селеформирующих грунтов, источников интенсивного обводнения
этих грунтов, а также геологических форм, способствующих
образованию достаточно крутых склонов и русел.
94

Источниками твердого питания селей могут быть: ледниковые
морены с рыхлым заполнением или без него; рыхлообломочный
материал осыпей, оползней, обвалов и смывов; русловые завалы и
загромождения, образованные предыдущими селями; древесно-расти-
тельный материал. Источниками водного питания селей являются:
дожди и ливни; ледники и сезонный снежный покров (в период
таяния); воды горных озер.
Наиболее часто образуются сели дождевого питания (дождевые).
Они характерны для среднегорных и низкогорных селевых
бассейнов, не имеющих ледникового питания. Основным условием
формирования таких селей является количество осадков, способных
вызвать смыв продуктов разрушения горных пород и вовлечь их в
движение. Количество таких осадков для наиболее характерных горных
районов России приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1. Условия формирования дождевых селей
Районы
Северный Кавказ
Центральный Кавказ
Урал
Тянь-Шань
Памиро-Алтай
Алтай и Саяны
Предбайкалье и Забайкалье
Горы северо-востока
Приморье
Приамурье
Камчатка
1 Сахалин
Суточные мак-
симумы ливневых
осадков 20%-ой
обеспеченности, мм
50...70
50...70
30...40
30...60
30...60
30...50
40...70
30...60
74...130
1 60...80
40...90
1 40...100
Минимальные 1
суммы селе-
формирующих
осадков,
1 мм/сут
20
20
20
30...40
13
20
40
—
—
30
—
60 '
Для высокогорных бассейнов с развитыми современными
ледниками и ледниковыми отложениями (моренами) характерны гляци-
альные сели. Основным источником их твердого питания являются
морены, которые вовлекаются в процесс селеобразования при
интенсивном таянии ледников, а также при прорыве ледниковых или
95

моренных озер. Формирование гляциальных селей существенно
зависит от температуры окружающего воздуха.
Катастрофические сели могут образовываться при
землетрясениях. В отдельных случаях (при извержении вулканов), когда
происходит совместное формирование жидкой и твердой составляющих
селевых потоков, образуются вулканогенные сели.
Формирование селей происходит в селевых водосборах, йаиболее
распространенной формой которых в плане является грушевидная с
водосборной воронкой и веером ложбинных и долинных русел,
переходящих в основное русло. Селевой водосбор включает три
основные зоны, в которых формируются и протекают селевые процессы:
зона селеобразования (питания селей водной и твердой
составляющей); зона транзита (движения селевого потока); зона разгрузки
(массового отложения селевых выносов).
Площади селевых водосборов колеблются от О,05 до нескольких
десятков квадратных километров. Большие размеры встречаются
редко. Длина русел колеблется в пределах от 10... 15 м (микросели)
до нескольких десятков километров, а их крутизна в транзитной
зоне колеблется от 25...30° (в верхней части) до 8...15° (в нижней).
При меньших уклонах движение селей затухает и начинается
процесс отложения селевой массы. Полностью движение селя
прекращается при крутизне 2...5°.
В бассейнах и водосборах ливневого и сезонно-снегового
питания, где имеется постоянный запас рыхлообломочного материала,
сели повторяются довольно часто ( от нескольких раз в году до
одного раза в 2...4 года) и связаны, в основном, с периодами
выпадения значительных осадков. Чем круче склоны бассейна, тем чаще в
таких бассейнах образуются сели. В бассейнах, где такого запаса не
имеется и рыхлообломочный материал накапливается в межселевые
периоды, повторяемость селей зависит от времени, необходимого
для такого накопления. В сильно расчлененных водосборах с весьма
крутыми склонами и руслами сели образуются чаще, чем в
водосборах с более пологими склонами.
Повторяемость гляциальных селей зависит от сочетания
интенсивности ледникового стока с состоянием увлажнения моренного
материала. Во многих бассейнах гляциального питания прохождение
селей отдельно друг от друга наблюдалось через промежутки 15...20
лет. Крупные катастрофические сели в каждом отдельном бассейне
- явление редкое, и их повторяемость 1...3 случая за 100 лет.
Повторяемость селей характеризует селеактивность данного
бассейна. В то же время в некоторых бассейнах сели хотя и возникают
96

редко (т.е. селеактивность их мала), но единовременный объем
селевых выносов весьма значительный (т.е. селеопасность их
высокая). Поэтому оба этих показателя необходимо учитывать при
оценке селеопасности горных районов в период планирования и
проведения каких-либо работ.
Вероятность селепроявления на территории выявленных селевых
бассейнов основывается на прогнозе дождевой и гляциальной
селеопасности. Прогноз дождевой селеопасности базируется на
метеопрогнозе количества осадков. В большинстве горных районов суточные
осадки 1%-ной обеспеченности (повторяющихся 1 раз в 100 лет)
составляют 80...120 мм, что, как правило, приводит к образованию
селей. Даже величины суточных максимумов осадков 20%-ной
обеспеченности (повторяющиеся 1 раз в 5 лет) способствуют
формированию селей ливневого происхождения во всех горных районах. Для
каждого района в зависимости от условий существует своя
критическая норма осадков, превышение которой может привести к
возникновению селеопасной ситуации (табл. 5.1).
Прогнозирование гляциальной селеопасности базируется на
выявлении аномальных отклонений характеристик водного и
термического режимов. Для этого используется информация гидрометеостанций
и постов, расположенных в данном горном районе. Прогноз
гляциальной селеопасности заключается в заблаговременном
предсказании возможности прорыва моренных и подпруженных озер, а также
внутриледниковых емкостей.
Признаками гляциальной селеопасности являются: высокая
температура воздуха в течение 3...5 суток в высокогорном районе;
повышенный сток воды с ледника; высокий уровень воды в моренном
озере и уменьшение (прекращение) стока воды (по сравнению с
другими водостоками ледникового питания) в данном районе.
Температурный режим теплового периода года оказывает
существенное влияние на формирование гляциальных селей. Сумма
средних суточных температур воздуха за 10 дней более 165° служит
признаком селеопасности.
5.J2. Оценка параметров селевых потоков и их
разрушительное действие
Селеопасные бассейны классифицируются по четырем
категориям, которым соответствуют типы селевых потоков с различными
уровнями воздействия на сооружения и объемами селевого выноса.
Плотность селевого потока зависит от состава и содержания
твердой составляющей. Обычно она составляет не менее 100 кг в 1
4—1087
97

м3 воды, что при плотности породы 2,4...2,б г/см3 приводит к
плотности селевых потоков примерно, 1,07... 1,1 г/см3. Как правило,
плотность селевых потоков колеблется в пределах 1,2... 1,9 г/см3.
Скорость движения селевого потока в транзитных условиях (в
зависимости от глубины потока, уклона русла и состава селевой
массы) составляет от 2...3 до 7...8 м/с, а иногда и более.
Максимальная скорость может превышать среднюю в 1,5...2 раза.
Высота селевого потока варьируется в значительных пределах и
может составлять: для мощных и катастрофических селей 3...10 м,
для маломощных - 1...2 м.
Ширина селевого потока зависит от ширины русла и в
большинстве горных бассейнов на транзитных участках колеблется от 3...5
м (узкие каньоны, горловины, глубоко врезанные русла небольших
бассейнов) до 50...100 м.
Для селевого потока учитывают расход водной и твердой
составляющих селевой смеси. Расход твердого материала может
превышать расход воды в 15...20 раз. Максимальные расходы селей
колеблются от нескольких десятков до 1000...1500 м3/с.
Объем селевых отложений (объем рыхлообломочной породы в
естественном залегании, вынесенный из селевого очага и русла)
определяет зону воздействия селя. Как правило, суммарный объем
селевого выноса определяет тип селя и его разрушительное действие на
сооружение. Для большинства селевых бассейнов России
характерны сели малой и средней мощности.
Продолжительность селей колеблется от десятков минут до
нескольких часов. Большинство зарегистрированных селей имели
продолжительность 1...3 часа. Иногда сели могут проходить волнами по
10...30 минут с неселевыми промежутками между ними до
нескольких десятков минут.
Максимальные размеры крупнообломочных включений
характеризуются размерами отдельных глыб и валунов скальных и
полускальных пород. Наибольший размер (в поперечнике) валунов и
скальных обломков, выносимых водно-каменными селями, может
быть 3...4 м и более. Масса таких глыб может составлять до 300 т.
Грязе-каменные сели обладают значительно большей
транспортирующей способностью и могут переносить глыбы размером в
поперечнике 8... 10 м.
Вязкость связных селей колеблется от 3...4 пуаз до нескольких
десятков, а иногда и сотен пуаз. При значительной вязкости сель
напоминает густой бетонный раствор, в котором замешаны крупные
98

обломки скальных пород. Вязкость при переходе от несвязного селя
к связному примерно равна 2,5...4,0 пуаза.
Результат воздействия селевого потока на различные объекты
зависит от его основных параметров: плотности, скорости
продвижения, высоты, ширины, расхода, объема, продолжительности,
размеров включений и вязкости.
Диапазоны основных параметров селевых потоков следующие:
плотность (1,2...1,9) • 103 кг/м3,
вязкость 4...20 пуаз,
скорость движения в транзитных условиях:
для уклонов 10...27° 2,5...7,5 м/с,
максимально возможная 14... 16 м/с,
предельная крутизна прекращения движения 2...5°,
высота селевого потока:
катастрофического до 10 м,
мощного 3...5 м,
среднего « 2,5 м,
маломощного «1,5 м,
Ширина потока на транзитных участках 5...70 м,
расход (диапазон) 30...800 м3/с,
(возможный максимум) 2000 м3/с,
продолжительность 0,5...3 часа,
повторяемость 15...20 лет,
(для катастрофических 1...3 случая за 100 лет),
размер крупных включений 3...4 м,
масса включений 200...300 т.
Процессы движения и трансформации селевых потоков при
движении по руслу в значительной степени определяются
гранулометрическим и минералогическим составом вовлекаемых в процесс
грунтов. Немаловажную роль при этом играет и устойчивость
грунтов противостоять эродирующей действительности потока. Наиболее
сильно размываются грунты, увлажненные бытовым стоком реки.
При наличии определенных исходных данных по селевому
бассейну представляется возможным прогнозировать расчетом процессы
движения и трансформации селевых потоков на основании
математических моделей, описывающих эти процессы.
Максимальный расход Qc, объем Wc выносов, скорость Vc
селевого потока и дальность его продвижения Lc можно приближенно
оценить аналитически.
4*
99

Максимальные расходы селеформирующего прорывного Qn и
дождевого Q паводков и их объемы Wn^ определяют в зависимости
от конкретных условий.
Величина Qn, м3/с, при прорыве водоудерживающей ледяной
(ледогрунтовой) перемычки определяется по формуле
Qn = KSH3/21 /lc ,
где S - площадь водной поверхности озера на уровне 80% высоты
перемычки, м2 (рис. 5.1.); Н - высота перемычки, м; t -
температура воды в озере, °С; 1С - кратчайшее расстояние по горизонтали
между основанием перемычки и границей водной поверхности озера,
м; К - коэффициент, равный 6,25-10~3 м1/2/(сградус).
Величина Qd, м3/с, при высоте слоя осадков заданной
обеспеченности рассчитывается по формуле
Qd = KCH{KF ,
где Кс - коэффициент дождевого стока, определяемый по табл. 5.2;
#! - максимальный суточный слой осадков 1%-ной обеспеченности,
определяемый по данным ближайшей метеостанции; X - переходный
коэффициент от слоев дождевого стока 1%-ной обеспеченности к
слоям стока другой вероятности (табл. 5.2.); F - площадь
водосбора, км2.
Таблица 5.2. Значение коэффициента дождевого стока Кс и
переходного коэффициента X для различных районов
Районы
Северный Кавказ
Восточная Сибирь
Величина X, %, при вероятности
превышения, равной р, %
0,1
1,4
1,5
1,0
1,0
1,0
5,0
0,75
0,70
10
0,60
0,56
Яс-10-з,
с1 -:
4,2 ;
2,52 '
Объем водного паводка W", м3, определяется в зависимости от
типа озера.
Для озера, подпруженного ледником,
W? = 0,2S#,
где S - площадь водной поверхности озера на уровне 80% высоты
перемычки, м2; Н - высота перемычки, м.
100

\ *~
z^^^y
L .
/%У\
f///\
ууТ
У'УЛ
■У4У&
Ч:
4
4
ЧФ
Ц
10
3
б
4
г
/
\М
ш
W*
W
/г-3»
у
у
с
У
^
,
р^~
у
h4>u
Н*2н
k'Jg»
Рис. 5.1. Схема озера,
подгруженного ледником: 1 - ледник;
2 - озеро; 3 - уровень воды к началу
прогноза; 4 - расчетный прорывной уровень
Для завального озера
О 5 Ю *5 20 <£,грод
Рис. 5.2. График определения
скорости селевого потока
W3n = 0,25 SmH,
где Sm - площадь водной поверхности озера при максимальном
наполнении, м2.
Для моренного западинного озера
W^ = 5,5-l(r2sf.
Для моренного термокарстового озера
Wn = 0 IS3/2
Объем водного паводка W9, м3, вытекающего при выпадении
осадков слоем заданной обеспеченности, определяется по формуле
Wd = 9,5-l(pHlXF.
Максимальный расход Qc, м3/с, селевого потока определяется по
формуле
Qc = (l + 0Msm2a)Qn{d\
где I - длина селевого очага, м; а - уклон селевого очага, град;
Qn(d) _ максимальный расход водного потока, поступающего в
селевой очаг, м3/с.
Объем Wc, м3, селевого потока рассчитывается по формуле
Wc = (l + 0,12Zsin2ct)w\
Скорость продвижения Vc, м/с, селевого потока можно
определить по графику, приведенному на рис. 5.2, или рассчитать по
формуле
Vc = 11,4д//г -^о since,
где v0 - относительная гидравлическая крупность вовлекаемых в
поток каменных материалов; а - средний угол наклона селевого рус-
101

ла, град; h - средняя глубина потока, м. Для оперативной оценки
величину h обычно принимают: для маломощного потока 1,0... 1,5
м; для потока средней мощности 2...3 м; для мощного потока
3...5 м;
v0~ 0,7...1,0;
Дальность продвижения Lc селей определяется в два этапа. На
первом этапе рассчитывается дальность продвижения Lj, м, селя в
долине реки
• ^ = 12,1^/(^5),
где Wc - объем селя, м3; i - средний уклон долины; d - средний
диаметр анкируюпщх обломков, принимаемый: для селевых врезов
0,5...0,8 м, для рытвин 0,3...0,4 м и для очагов рассредоточенного
сел сформирования 0,1...0,2 м; В - среднее расстояние между
селевыми береговыми валами.
На втором этапе рассчитывается дальность продвижения Z^, м,
селя на конусе выноса. Расчет производится при условии Ly > Ld no
формуле
L2=j36MWc-dBLd)ik/d ,
где iK - средний уклон конуса выноса; Ьд - расстояние от конца
селевого очага до вершин конуса выноса, м.
Дальность продвижения селя Lc определяется аналогично Ц,
если 1Л> Ld. Если Lj < Ld, то величина Lc определяется как сумма
Lc = Ld + L>.
Последствия воздействия селей на объекты оцениваются с учетом
двух показателей: селеопасности и селеактивности с помощью
комплексного критерия, называемого приведенной селеактивностью
P = Y,WT/T,
где Х^т " суммарный объем селевых выносов за некоторый
длительный период времени Т.
Все селеопасные бассейны по приведенной селеактивности
делятся на категории:
I исключительно селеактивный - суммарный объем выносов с
одного бассейна за 100 лет Xw100=1...10 млн.м3 и более;
приведенный ежегодный объем выносов Р =10... 100 тыс.м3,
II весьма селеопасный - ]Г W100=105...106 м3, Р=103...Ю4 м3,
III среднеселеопасный - Х^100=104...105 м3, Р=102...103 м3,
IV слабоселеопасный - £W100=103...104 м3, Р=101...Ю2 м3.
102

Категория селеопасности определяет типе селевых потоков,
прохождение которых наиболее характерно для данного района. Так,
для IV категории характерны маломощные потоки, для III -
маломощные и среднемощные, для II - среднемощные и мощные, для I -
все типы потоков, в том числе мощные и катастрофические.
Укрупненные показатели воздействия селевых потоков
различного типа на сооружения в зависимости от суммарного объема
селевого выноса даны в табл. 5.3.
Таблица 5.3. Воздействие селевых потоков на сооружения
Тип
селевого потока
Маломощный
Среднемощный
1 Мощный
1 Катастрофический
Суммарный
объем селевого
выноса, м3
до 104
2104...105
105...9.105
более 106
Характеристика воздействия 1
Небольшие размывы, частич- 1
ные забивки отверстий
водопропускных сооружений.
Сильные размывы, полная за- 1
бивка отверстий, повреждение
и снос бесфундаментных
строений.
Большая разрушительная си- 1
ла, снос мостовых ферм,
разрушение опор мостов,
каменных строений, дорог.
Разрушение целых строений,
участков дорог вместе с
полотном и сооружениями, погребе-
1 ние сооружений под наносами.
Для оценки последствий воздействия селевого потока на
конкретные типы зданий и сооружений в качестве основного критерия
используется величина эквивалентного давления Р на стены. При
скоростях продвижения селя, обычно не превышающих 20 м/с,
воздействие на сооружение носит квазистатический характер, и суммарное
давление Р определяется гидростатическим давлением, скоростным
напором потока и геометрией объекта (т.е. начальным импульсом
соударения фронта селя с объектом можно пренебречь).
При действии селевого потока на плоскость объекта,
перпендикулярную направлению движения потока, давление Р в точке на
глубине Y определяется по формуле
103

p = pc + pg.
Здесь Рс = pgY - статическое давление, р - плотность потока, g
- ускорение свободного падения, Pg - давление скоростного напора
селя
pg = y2cPv\
где С - коэффициент взаимодействия; V - скорость продвижения
селя, м/с.
Для случая действия селевого потока по нормали к стене С = 1.
Давление на плоское препятствие, расположенное под углом а к
направлению движения потока, определяется по той же формуле
при С = sin2a .
Суммарная смещающая сила, действующая на объект,
определяется по формуле
N = F{pcp + Pg), Pcp = y2pgH,
где F - площадь проекции обтекаемой части объекта на -плоскость,
перпендикулярную направлению движения селя, Н - глубина
потока.
При высоте селя, равной 5 и 10 м, и плотности р = 2-103 кг/м3
статическое давление на полной глубине равно соответственно 0,1 и
0,2 МПа (1 и 2кГс/см2).
При скоростях потока 2,5; 7,5; 15,0 м/с динамическое давление
(без учета ударов кр}|пных включений) составляет 6,25-103; 0,056
и 0,225 МПа (0,0625; 0,56 и 2,25 кГс/см2), независимо от
глубины.
При косом ударе селя о сооружение появляется касательная
составляющая от силы трения Nc = KTPg, где Кт - коэффициент
трения, зависящий от вязкости потока. Для селей в переходном
состоянии при вязкости |i ~ 2,5...4,0 пуаза Кт ~ 0,1. Для связных селей
при [i ~ 20 коэффициент Кт ~ 0,3. Наиболее опасным (расчетным)
является случай действия селя по нормали к стене.
Если высота селя превышает высоту здания (или когда ширина
объекта достаточно велика, чтобы способствовать поднятию уровня
потока до того, как установится режим обтекания) нагрузка на
крышу здания определяется как статическое давление.
Гидростатическое (статическое) давление селя на препятствие не
зависит от его формы и ориентации и определяется только
плотностью и глубиной (табл. 5.4).
104

Таблица 5.4. Гидростатическое давление селя, 105 Па,
различной плотности р на глубинах Я, м
р, кг/м3
1200
1500
2000
0,5
0,0589
0,0736
0,0981
1,0
0,118
0,147
0,196
1,5
0,177
0,221
0,294
2,5
0,294
0,368
0,490
4,0
0,471
0,589
0,785
10,0
1,180
1,470
1,962
Значения динамических давлений в зависимости от плотности,
скорости селя и углов встречи с плоской преградой приведены в
табл. 5.5...5.7.
Таблица 5.5. Динамическое давление, 105 Па, селя
плотностью р = 1200 кг/м3 на плоскую преграду в
зависимости от скорости продвижения V при углах встречи
V, м/с
1,5
2,5
3,5
5,0
6,5
7,5
9,0
10
1 15
30°
0,00338
0,00938
0,0184
0,0375
0,0634
0,0844
0,122
0,150
0,338
45°
0,00675
0,0188
0,0368
0,075
0,127
0,169
0,243
0,300
0,675
60°
0,0101
0,0281
0,0551
0,112
0,190
0,253
0,364
0,450
1,010
90° 1
0,0135
0,0375
0,0735
0,150
0,253
0,337
0,486
0,600
1,350
Расчетные давления селевого потока на плоскую преграду в
зависимости от скорости и глубины определяются суммированием
гидростатических и динамических давлений. Как видно из таблиц, угол а
сильно влияет на динамические давления. Так, например, при
скорости 5 м/с потока плотностью 1500 кг/м3 при а = 90, 45 и 30°
динамические давления составляют соответственно 0,0187; 0,00938
и 0,00469 МПа, т.е. при 45° давление упало вдвое, а при 30° -
более, чем в четыре раза.
Для суммарных давлений влияние угла встречи значительно
меньше, поскольку для глубин более метра вклад статических
давлений может превышать динамическую составляющую.
105

Таблица 5.6. Динамическое давление, 105 Па, селя
плотностью р = 1500 кг/м3 на плоскую преграду в
зависимости от скорости продвижения V при углах встречи
V, м/с
1,5
'2,5
3,5
5,0
6,5
7,5
9,0
10
15
30°
0,00422
0,0117
0,0230
0,0469
0,0792
0,105
0,152
0,188
0,422
45°
0,00843
0,0234
0,0459
0,0938
0,158
0,211
0,304
0,375
0,844
60°
0,0127
0,0351
0,0689
0,141
0,238
0,316
0,456
0,562
1,265
90°
0,0169
0,0469
0,0919
0,187
0,317
0,422
0,607
0,750
1,687
Таблица 5.7. Динамическое давление, 105 Па, селя
плотностью р = 2000 кг/м3 на плоскую преграду в
зависимости от скорости продвижения V при углах встречи
V, м/с
1,5
2.5
3,5
5,0
6,5
7,5
9,0
10
15
30°
0,00563
0,0156
0,0306
0,0625
0,106
0,141
0,203
0,250
0,563
45°
0,0113
0,0313
0,0612
0,125
0,211
0,281
0,405
0,500
1,13
60°
0,0169
0,0469
0,0918
0,187
0,317
0,422
0,607
0,750
1,69
90°
0,0225
0,0625
0,122
0,250
0,422
0,562
0,810
1,000
2,25
При движении селя скорости частиц (массовая скорость) у дна в
зоне пограничного слоя (погранслоя) меньше, чем в средней и
верхней части потока. Однако, размер погранслоя невелик, что
позволяет считать поток с равномерной по высоте скоростью. Статические
давления распределены по глубине линейно. Поэтому для оценки
последствий селя на объект следует учитывать эквивалентное
давление, равное сумме динамического давления под углом встречи и
среднего статического давления на половинной глубине.
106

В качестве примера в табл. 5.8 приведены подсчитанные таким
образом силовые параметры селевых потоков для р = 1200 кг/м3
и cL= 30° (коэффициент взаимодействия С = 0,25).
Таблица 5.8. Суммарное давление, 105 Па, селя
(р = 1200 кг/м3) на плоскую преграду под углом 30° при
различных скоростях V, м/с, и глубинах Н, м
V, м/с
1,5
2,5
3,5
5,0
6,5
7,5
9,0
10,0
12,5
15,0
0,5 1
0,033
0,039
0,048
0,067
0,093
0,114
0,151
0,179
0,264
0,367
1,0 1
0,062
0,068
0,077
0,096
0,122
0,143
0,180
0,209
0,293
0,396
1,5
0,092
0,098
0,107
0,126
0,152
0,173
0,210
0,238
0,323
0,426
2,5
0,151
0,157
0,166
0,185
0,211
0,232
0,269
0,297
0,382
0,485
4,0
0,239
0,245
0,254
0,273
0,299
0,320
0,357
0,385
0,470
0,573
10,0 1
0,592
0,598
0,607
0,626
0,652
0,673
0,710
0,739
0,823
0,926
Расчетами по приведенной методике следует пользоваться при
оценке ущерба от действия селя на конкретные объекты. При этом
для учета снижения расчетных давлений за счет применения проти-
воселевых сооружений следует применять коэффициент Ксн,
приведенный в табл.5.9.
Как указывалось выше, воздействие селя на сооружения носит
квазистатический характер. Поэтому нагрузки на объекты
определяются непосредственно по давлениям, рассчитанным по приведенным
в данном разделе формулам. Отсюда следует, что устойчивость
зданий и сооружений под действием селевого потока при давлениях,
рассчитанных указанным способом, более высокая, чем, например,
при воздействии таких же давлений от снежных лавин или
воздушных ударных волн. Это объясняется тем, что эквивалентные
давления от лавин и ударных волн определяются с учетом коэффициента
динамичности Кд > 1, поскольку при скоростях схода лавин и
массовых скоростях воздушных ударных волн реализуется фаза
дифракционного обтекания, вызывающая известный динамический
эффект. С формальной точки зрения можно считать, что
коэффициент динамичности селя Кд = 1.
107

Таблица 5.9. Коэффициент Ксн снижения эквивалентного
давления селезащитными сооружениями
Селезащитное сооружение
Запруды глухие из железобетона
Запруды глухие из камня
Запруды решетчатые металлические
три дамбы
две дамбы
одна дамба
три дамбы
две дамбы
одна дамба
три стенки
две стенки
одна стенка
Селезадерживающая плотина
Наносоуловитель
Селеотводящие сооружения
Селеспуски, селепропускные сооружения
Селенаправляющие (для защиты
объектов вдоль русел)
1 Тормозящие надолбы
1 Каменные холмы
1 Грунтовые холмы
1 Простейшие сооружения (в балках)
железобетонные
каменные
из бревен
четыре ряда
три ряда
два ряда
два ряда
один ряд
два ряда
один ряд
валы-канавы
террасы
Кги
0,25
0,35
0,40
0,30
0,40
0,45
0,35
0,45
0,50
0,1
0,6
0,05
0
0,15
0,25
0,35
0,60
0,65
0,70
0,70
0,85
0,80
0,90
0,80
0,70
В таблице 5.10 указаны возможные результаты воздействия
селевых потоков, приведенные к суммарным давлениям селя, на
следующие типы зданий и сооружений:
1. Здания со стальными и железобетонными каркасами.
2. Здания с легким металлическим каркасом или бескаркасной
конструкции.
3. Здания из сборного железобетона.
4. Кирпичные здания, бескаркасные, с покрытием из
железобетонных элементов, малоэтажные.
5. То же, многоэтажные (три этажа и более).
6. Склады-навесы из железобетонных элементов.
108

7. Административные многоэтажные здания с металлическим и
железобетонным каркасом.
8. Деревянные здания.
9. Здания фидерной или трансформаторной подстанции из кир^
пича или блоков.
10. Здания ГЭС (монолитный железобетон).
11. Наземные стальные газгольдеры, резервуары для хранения
нефте- и химпродуктов.
12. То же, частично заглубленные.
13. Стальные и железобетонные подземные резервуары для
нефте- и химпродуктов.
14. Водонапорные башни.
15. Воздушные линии низкого напряжения.
16. То же, высокого напряжения.
17. Подземные стальные трубопроводы диаметром до 35 см.
18. То же, свыше 35 см.
19. Подземные чугунные и керамические трубопроводы.
20. Трубопроводы на металлических и железобетонных
эстакадах.
21. Заглубленные сети коммунального хозяйства (водопровод,
газопровод, канализация).
22. Радиорелейные линии, стационарные воздушные линии
связи.
23. Воздушные линии телефонно-телеграфной связи.
24. Кабельные подземные линии связи.
25. Мосты из металла и железобетона пролетом до 50 м.
26. Деревянные мосты.
27. Земляные плотины.
28. Бетонные плотины. -
Методика определения ущерба от действия селя на конкретный
объект состоит в определении эквивалентного давления селя по его
исходным параметрам и в обращении к табл. 5.10 для выяснения
результатов воздействия.
Пример 1. Определить результат воздействия селевого потока на
одноэтажное здание бескаркасной конструкции, ориентированное
относительно возможного направления движения селя под углом
а = 30°. Параметры селя: возможная скорость продвижения 3...4
м/с, толщина потока 2...3 м при средней плотности р = 1200 кг/м3.
109

Таблица 5.10. Суммарное давление (105 Па) селевых
потоков, вызывающих различные степени повреждения
объектов
Тип
объекта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
| 28
разрушение
0,90...1,50
0,75...1,05
0,60...1,90
0,68...0,98
0,53...0,68
1,5...1,6
0,75...0,90
0,30...0,45
0,90...1,20
4,5...5,0
0,60...0,68
1,5...1,6
3,00...3,2
0,90...0,98
2,5...2,6
1,05...1,13
30...34
15...18
30...33
0,75...0,90
23...25
1,8...1,9
1,5.-1,7
1,6...1,8
3,8...4,5
2,5...3,0
15...20
150
сильное по-
вреждение
0,75...0,90
0,45...0,75
0,45...0,60
0,53...0,68
0,38...0,53
1,2...1,5
0,60...0,75
0,18...0,30
0,60...0,90
3,0...4,5
0,45...0,60
1,2...1,5
1,5...3,0
0,60...0,90
1,5...2,5
0,75...1,05
23...30
9...15
15...30
0,60...0,75
15...23
1,05...1,80
0,9...1,5
1,0...1,6
3,0...3,8
1,6...2,5
12...15
75...140
среднее
повреждение
0,75...0,81
0,30...0,45
0,30...0,45
0,30...0,53
0,23.-0,38
0,53.-1,20
0,45.-0,60
0,12.-0,18
0,30.-0,60
1,5.-3,0
0,30.-0,45
0,75.-1,20
1,05.-1,50
0,30.-0,60
0,90.-1,5
0,45.-0,75
15...23
5,5.-9,0
9...15
0,50.-0,60
6...15
0,75.-1,05
0,6.-0,9
0,65.-1,0
2,3.-3,0
0,9.-1,6
10.-12
30...75
слабое
повреждение
0,45.-0,81
0,15.-0,30
0,15.-0,30
0,20.-0,30
0,15.-0,23
0,30.-0,53
0,30.-0,45
0,09.-0,12
0,15.-0,30
0,75.-1,50
0,23.-0,30
0,45.-0,75
0,60.-1,05
0,15.-0,30
0,60.-0,90
0,38.-0,45
9...15
3,0.-5,5
3...9
0,30.-0,50
2,5.-6
0,45.-0,75
0,3—0,6
0,40.-0,65
1,5.-2,3
0,6.-0,9
3...10
15-30
Для указанных значений р и а используем данные табл. 5.9.
Динамическое давление примем по скорости 3,5 м/с, а статическое -
для глубины 2,5 м. Имеем: динамическое давление 0,0018 МПа,
статическое 0,0147 МПа, суммарное давление равно 0,0165 МПа.
По табл. 5.10 для давления 0,0165 МПа находим, что указанное
выше здание получит слабые повреждения.
ПО

5.3. Характеристики и эффективность
противоселевых сооружений
Использование противоселевых сооружений является одним из
способов уменьшения возможного ущерба от воздействия селей. В
более широком плане следует рассматривать весь спектр
противоселевых мероприятий, среди которых весьма эффективными являются
меры по предотвращению селей, а также по ликвидации
возможностей их формирования, регулированию снеготаяния, залесению
склонов водосборов и др.
Противоселевые сооружения обычно применяют для защиты
объектов при возможности их длительного нахождения в селеопасном
районе. Такие сооружения предназначены для задержания селевых
выносов выше защищаемого объекта; отвода селевого потока от
защищаемого объекта или его пропуска через объект; стабилизации и
защиты русла от размыва и промыва, а также защиты объекта от
ударного воздействия селевого потока.
Задержание селевых выносов может осуществляться
устройством запруд (селезаградителей), плотин (дамб) или котлованов-на-
носоуловителей, рис. 5.3.
Запруды. Применяются как для задержания выносов, так и в
целях стабилизации русла. Устраиваются из различных материалов
(камня, бетона, железобетона, металла и др.) в виде глухих или
решетчатых стенок, перегораживающих русло. Минимальное
расстояние между запрудами не должно превышать:
120 м - для мощных селей глубиной более 2 м, увлекающих
обломки крупнее 0,5 м, при уклоне 0,6;
60 м - для селей небольшой глубины, увлекающих обломки не
крупнее 0,4 м, при уклоне 0,05;
40 м - для маломощных селей, увлекающих мелкие обломки.
Селезадерживаюшие плотины. Удерживают большой объем
твердого стока. Эффективная высота плотины НЭф = Н • cosa0, где Н -
максимальная высота селевого потока, а0 - угол уклона. Опорная
поверхность сооружения располагается перпендикулярно
поверхности склона или с уклоном вниз по склону на угол 15° от
перпендикуляра к склону.
Наносоуловители - котлованы или расширения русла селевого
потока выше защищаемого объекта. Уменьшают скорость селевого
потока, вследствие чего твердая масса оседает. Проектирование на-
носоуловителей, как правило, заключается в выборе наиболее
удачного места для их устройства и в назначении его размеров.
111

Рис. 5.3. Схемы противоселе-
ВЫХ сооружений: а) селезагради-
тель; б) наносоуловитель; в) селеспуск;
г) совмещение селевых русел; д) селе-
отвод; 1 - дамбы; 2 - защищаемый
объект; 3 - котлован-наносоуловитель; 4 -
селепропускной лоток; 5 - селепропуск-
ной канал; 6 - селебойные буны.
Сооружения для отвода селя от объекта и торможения
потока:
Селеотводяшие сооружения (селерезы, стенки). Направляют
поток в сторону от защищаемого объекта. Возводятся высотой Нэф,
согласно соотношению Нэф = Н + V2/(2g).
Селеспуски. Применяются для переброски селей через
защищаемые объекты (дороги, трубопроводы и др.). Представляют собой
лоток, закрепленный на железобетонных рамах или каменноарочных
опорах, продолжая селевое русло.
Селепропускные сооружения. Возводятся под защищаемым
объектом в виде бетонных лотков-быстротоков и каналов. При
возведении селеспусков на одном уровне с защищаемым объектом их
устраивают в виде канализированных русел потока. Такие сооружения
наиболее эффективны при пропуске селей через населенные пункты.
Селенаправляюшие (подпорные стенки, опояски, дамбы), селеот-
бойные (полузапруды, буны, шпоры) сооружения. Предназначены
для защиты дна и берегов русел от размывов, а также для защиты
каких-либо объектов, расположенных вдоль русел.
112

Селенаправляющие сооружения в виде стенок устраивают вдоль
берега в местах его наиболее интенсивного размыва. Селеотбойные
сооружения устанавливают под углом 25° к оси потока, причем
один конец сооружения закрепляют в защищаемый берег. Это
позволяет отклонить направление потока к противоположному берегу.
Сооружения данного типа устраивают из камня, железобетона или
бревен.
Тормозящие сооружения (надолбы, земляные и каменные
холмы). Устраивают для уменьшения скорости селя на склонах с
крутизной до 15°. Располагаются рядами. При высоте сооружений
Нт > Н, где Н - толщина потока, расстояние между ними в ряду
принимают равным 4НТ, а расстояние В между рядами В = 6НТ.
Простейшие сооружения (валы-канавы и террасы с широким
основанием) устраивают в балках. Валы-канавы располагают строго
горизонтально на склонах крутизной не более 10°, иначе может
произойти разрушение насыпного откоса. На склонах крутизной от 10°
до 30° устраивают ступенчатые террасы с обратным уклоном 4...6°
и шириной 3,5...4,0 м.
Эффективность селезащитного сооружения может быть оценена
по степени уменьшения эквивалентного давления на защищаемый
объект. При этом предполагается, что само сооружение не будет
разрушено или смыто под воздействием селевого потока. Поэтому
при проектировании и возведении селезащитного сооружения
следует обеспечить его устойчивость к действию данного потока, учтя
возникающие нагрузки. Нагрузка на плоские и наклонные
поверхности противоселевого сооружения определяется так же, как на
преграды защищаемых объектов.
Нагрузки на стенки лотков и горизонтальные поверхности селес-
пусков и селепропускных сооружений принимаются только по
статической компоненте селевого давления (т.е. при коэффициенте
бокового давления Кб = 1, как для жидкой среды). Давления на
тормозящие сооружения в виде надолб и холмов определяются с
коэффициентами С = 0,4иС = 0,15 соответственно.
В табл. 5.9 приведены коэффициенты Ксн снижения
эквивалентных давлений на защищаемые объекты, характеризующие
эффективность селезащитных сооружений, в предположении их
исправного функционирования. При полном гарантированном отводе
селевого потока от защищаемого объекта он окажется совершенно не
нагруженным, т.е. получаем значение Ксн —> 0. При отсутствии селе-
113

защитного сооружения Ксн = 1, т.е. коэффициент снижения
нагрузки находится в диапазоне 0 < Ксн < 1.
Последствия воздействия селя на различные объекты с учетом
селезащиты определяется по указанной выше методике, согласно табл.
5.10, но по давлению Рэ
Рэ = Ксн ' Р>
где Р - суммарное давление (без учета селезащиты).
Пример 2. Определить результат воздействия селевого потока на
объект из Примера 1 при наличии перед ним тормозящего
сооружения в виде надолб в два ряда.
Суммарное давление без учета селезащиты Р = 0,0166 МПа (из
Примера 1). Из табл. 5.9 для надолб Ксн = 0,7. Эквивалентное
давление Рэ = 0,70,0166 = 0,0116 МПа. Из табл.5.10 следует, что
здание не получит повреждений.
5.4. Меры по предотвращению селей.
Одним из способов предотвращения селей является ликвидация
искусственных или естественных водоемов, прорыв которых может
привести к образованию селей, а также уменьшение водной
составляющей селей.
Мероприятия по ликвидации возможности формирования селей
могут носить заблаговременный или оперативный характер. В
короткие сроки (до суток) могут быть выполнены работы по
опорожнению водоемов, плотины которых созданы искусственно или
состоят из льда. Работы по опорожнению озер, перемычки которых
сложены талыми или мерзлыми рыхлообломочными породами,
являются трудоемкими и могут быть выполнены заблаговременно.
Заблаговременное опорожнение озер в неселеопасный период позволяет
предотвращать сели и обеспечить сохранность коммуникаций и
гидротехнических сооружений.
Предварительный выпуск озер до наступления селеопасного
периода осуществляется устройством канализационных каналов.
Каналы могут устраиваться с помощью землеройной техники, взрывным
способом или прицельным бомбометанием.
Уменьшение водной составляющей может осуществляться
регулированием снеготаяния. Ускорение снеготаяния достигается
расчленением снежного покрова на полосы путем распыления над ними све-
топоглощающих порошков (каменноугольной пыли, сажи, золы и
др.). Полосы целесообразно устраивать шириной 30...40 м при
оптимальной норме расхода пыли (золы) 5... 10 т/км2. Это ускоряет
снеготаяние на 15...20 суток, по сравнению с естественным, и тем
114

самым создаются условия резкого снижения поверхностного стока
воды (за счет ее сброса небольшими объемами). Замедление
снеготаяния осуществляется дымовыми экранами, создаваемыми с
помощью дымовых шашек, поскольку это приводит к значительному
понижению температуры приземного воздуха. Так, спустя 15...20
минут после задымления поверхностный сток воды уменьшается в два
раза.
Проведение различных профилактических мероприятий во
многих случаях позволяет избежать необходимость возведения дорогих
(и не всегда надежных) капитальных селезащитных сооружений.
Для защиты различных объектов в селеопасных районах
необходимо предусматривать организационные и технические мероприятия.
К организационным мероприятиям относятся: создание службы
контроля за селевыми очагами с оповещением о возможных
проявлениях селей; мероприятия по быстрому выводу людей и техники в
безопасные районы; ликвидация последствий селепроявления.
; Для контроля за состоянием селевых очагов и оповещения
организуются специальные посты селевых станций и метеослужба. На
случай проявления селевой активности разрабатываются и
доводятся до населения необходимые сигналы и надлежащий характер
действия по ним. При планировании мероприятий по выводу людей и
техники намечаются безопасные районы, основные и запасные
маршруты выхода из селеопасных районов. Мероприятия по
ликвидации последствий должны предусматривать силы и средства по
восстановлению работоспособности объектов.

Глава 6. Оползни
6.L Возникновение и классификация оползней
Оползень — это смещение на более низкий уровень части горных
пород, слагающих склон, в виде скользящего движения в основном
без потери контакта между движущимися и неподвижными
породами. Движение оползня начинается вследствие нарушения
равновесия склона и продолжается до достижения нового состояния
равновесия.
Перемещения значительной массы породы, вызванные
оползнями, могут приводить к катастрофическим последствиям и
приобретать характер стихийного бедствия. Оползни могут разрушать
отдельные объекты и подвергать опасности целые населенные пункты,
губить сельскохозяйственные угодья, создавать опасность при
эксплуатации карьеров, повреждать коммуникации, туннели,
трубопроводы, телефонные и электрические сети, угрожать
водохозяйственным сооружениям (плотинам).
Оползни, образующиеся на естественных склонах и в откосах
выемок, подразделяют на группы.
Группа 1.
Структурные оползни (структура - однородные связные
глинистые породы: глины, суглинки, глинистые мергели).
Основные причины образования оползней:
Чрезмерная крутизна склона (откоса).
Перегрузка верхней части склона различными отвалами и
инженерными сооружениями.
Нарушение целостности пород склона траншеями, нагорными
канавами или оврагами.
Подрезка склона у его подошвы.
Увлажнение подошвы склона.
Характерные места (условия) возникновения оползней:
В искусственных земляных сооружениях с крутыми откосами; в
выемках, образующихся в однородных глинистых грунтах на
водораздельных участках возвышенности; в глубоких разрезах для
открытой разработки месторождений полезных ископаемых; в
насыпях, отсыпанных такими же породами при переувлажнении почвен-
116

но-растительного слоя и глинистых пород, залегающих у дневной
поверхности
Группа 2.
Контактные (соскальзывающие) — связные глинистые породы,
залегающие в виде пластов с хорошо выраженными плоскостями
напластования (глины, суглинки, мергели, неплотные известняки,
некрепкие глинистые сланцы, лесс, лессовидные суглинки и др.).
Основные причины образования оползней:
Чрезмерно крутое падение слоев.
Перегрузка склона отвалами или различными земляными
сооружениями.
Нарушение целостности пород на склоне траншеями или
нагорными канавами.
Подрезка склона.
Смачивание плоскостей напластования (контактов) подземными
водами.
Характерные места (условия) возникновения оползней:
На естественных склонах возвышенностей и долин рек (на
косогорах), а также в откосах выемок, состоящих из слоистых пород, у
которых падение слоев направлено в сторону склона или по
направлению к выемке). В зависимости от высоты расположения
поверхности скольжения над подошвой склона (откоса, выемки) и его
крутизны оползни могут переходить в обвалы с последующим их
опрокидыванием у нижнего края поверхности скольжения.
Срезающие (скалывающие)
Основные причины образования оползней:
Те же, что и при контактных оползнях, но в условиях более
глубоких нарушений горных пород тектоникой и трещинами.
Характерные места (условия) возникновения оползней:
На склонах возвышенностей и долин рек, сложенных слоистыми
породами, залегающими горизонтально или с уклоном в сторону,
противоположную склону. При оползнях в движение одновременно
приходят целые группы пластов.
Структурно-пластические (оползни выдавливания)
Основные причины образования оползней:
Неравномерная разгрузка горных пород, залегающих над
пластическими глинами (на каналах, в выемках, в долинах рек, в берегах
морей и озер).
Перегрузка склонов (откосов) отвалами и сооружениями.
Увлажнение грунтов в основании склонов (откосов).
Характерные места (условия) возникновения оползней:
117

Образуются, как правило, когда в основании плотных пород
залегают мягкие пластичные глины. В верхней части склона на
поверхности земли образуются ярко выраженные оползневые террасы
(уступы) с глубокими трещинами. У подошвы склона выдавленные
породы взбугриваются в виде отдельных холмов или сплошного
вала.
Группа 3.
Суффозионно-структурные — связные глинистые породы,
залегающие в чередовании с пластами и линзами водоносного песка.
Основные причины образования оползней:
Вынос пылеватых и песчаных частиц породы подземными
водами: при спадах приливов и отливов морей; при интенсивном
оттаивании коры зимнего промерзания; при прорыве пород водоносного
горизонта, сцементированных солями, выделяющимися из
подземных вод у дневной поверхности склонов; дри обводнении песчаных
пород на склоне за счет атмосферных осадков и хозяйственных вод.
Характерные места (условия) возникновения оползней:
Образуются на склонах возвышенностей или в откосах выемок,
сложенных плотными глинами или тяжелыми суглинками и
моренными глинами, залегающими в чередовании с пластами и линзами
водоносного песка. В отличие от структурных оползней, в таких
оползнях смещение земляных масс происходит по слою
разжиженного песка без ярко выраженной поверхности скольжения в
основании склона. Оторвавшиеся массы земли движутся скачками, иногда
с очень большой скоростью.
Суффозионно-пл астические.
Основные причины образования оползней:
Те же, что и при образовании суффозионно-структурных
оползней, а также:
интенсивное выветривание горных пород на склонах с
образованием усадочных трещин на поверхности земли;
увлажнение и разупрочнение горных пород при промерзании и
оттаивании.
Характерные места (условия) возникновения оползней:
Условия возникновения оползней данного вида такие же, как и
суффиозно-структурных, при этом смещение земляных масс
происходит, как правило, при слабо выраженной поверхности отрыва
смещающейся массы от основного массива земли.
Суффозионно-просадочные.
Основные причины образования оползней:

Те же, что и при образовании просадочных оползней, а также
вынос подземными водами пылеватых и песчаных частиц из
основания (подошвы) лессовых пород.
Характерные места (условия) возникновения оползней те же,
как и просадочных оползней.
Четвертую группу составляют оползни железнодорожных
насыпей.
Оползни в земляных плотинах и автодорожных насыпях
встречаются очень редко и принципиально ничем не отличаются от
оползней железнодорожных насыпей. Наиболее часто такие оползни
встречаются на Северном Кавказе. Часто именно они являются
причиной ограничения скорости движения поездов и перерывов в
железнодорожном движении.
Железнодорожные насыпи представляют искусственные
земляные сооружения. Прочность и устойчивость их зависит от
геологического строения и гидрогеологических условий основания; материала,
из которого они отсыпаются (состава и состояния грунтов); условий
и способов отсыпки насыпи; от очертания их поперечного профиля.
Оползни железнодорожных насыпей могут быть на устойчивом
или на неустойчивом основании.
Оползень насыпи на устойчивом основании образуется, как
правило, при чрезмерной крутизне склона, а также при отсутствии
подготовки на поверхности склона или основании насыпи (при
отсутствии уступов) и при обильном увлажнении поверхности основания
протекающими водами (при отсутствии водоотводов).
Оползни насыпей на неустойчивом основании обычно образуются
в насыпях, отсыпанных на болотах или на заболоченных поймах
рек. Оползневые деформации таких насыпей обычно выражаются в
отрыве одной части насыпи от другой, оседании ее по очень крутой
поверхности скольжения и выдавливании из-под нее мягких
илистых грунтов основания. Выдавленный при этом грунт обычно
распределяется у подошвы оползневого откоса насыпи в виде бугра или
продольного вала.
Оползни, вызванные изменением природных условий, как
правило, не начинаются внезапно. Первоначальным признаком
начавшихся оползневых подвижек служит появление трепщн на поверхности
земли, разрывов дорог и береговых укреплений, смещение деревьев,
телеграфных столбов и др. С максимальной скоростью оползни
движутся в начальный период, затем их скорость постепенно
замедляется.
119

Оползни, вызванные хозяйственной деятельностью человека, в
основном, связаны с перегрузкой оползневых склонов насыпями и
различными инженерными сооружениями, утечкой воды из
водопроводных коммуникаций, закрытием выходов подземных вод и др.
Очень опасны для устойчивости берегов суточные колебания в
нижних бьефах ГЭС и зимний расход воды из водохранилищ. В связи с
этим важное значение имеют всесторонняя оценка состояния
склонов, прогноз последствий проектируемых земляных работ и
качественное выполнение инженерно-геологических изысканий.
6.2. Контроль над оползнями и их прогноз
Большую часть потенциальных оползней можно предотвратить,
если своевременно принять меры в начальной стадии их развития.
Среди различных мероприятий особенно важное значение имеют
контроль и прогнозирование оползневых процессов. Они
необходимы для расположения объектов в безопасных местах;
своевременного предупреждения возникновения новых или предотвращения
опасной величины и скорости смещения уже существующих оползней;
выявления необходимости борьбы с оползнями или возможности
эксплуатации объектов без укрепления склона.
Для предотвращения возникновения оползней необходимо
организовать контроль за состоянием склонов и соблюдением охранно-
противооползневого режима, а также проводить комплекс
противооползневых мероприятий с учетом гидрогеологических условий и
характеристики оползневого участка. Необходимые для этого данные
наносят на крупномасштабные карты. На них должны быть
указаны: устойчивость склонов; возможность производства земляных
работ; гидрогеологические условия района; возвышенности и
косогоры; места расположения стоков, дренажных бассейнов,
затопляемых участков и распределение подземных вод. На эти же карты
наносят места прошлых оползней и районы возможного оползания. К
карте прилагается пояснительная записка с подробным описанием
оползневого района (участка).
Теоретический прогноз оползней достаточно сложный, как
правило, производится специалистами оползневых станций (по данным
многолетних наблюдений) и может быть только вероятностным.
Принципиальная схема вероятностного прогноза возникновения
нового оползня на естественном склоне в заданном районе и в
заданный период времени Т (по Е.П.Емельянову) состоит в следующем:
1. Получение исходных данных:
120

Определяют среднюю годовую величину коэффициента К*?
устойчивости данного склона в настоящее время (т.е. на начало
периода Г), под которым понимают отношение суммарного
сопротивления сдвигу вдоль какой-либо потенциальной поверхности
скольжения к сумме сдвигающих усилий вдоль этой поверхности
где Ct — сопротивление сдвигу на /-том участке, т- — касательная
напряжения, AZ£ — абсолютная деформация.
Рассчитывают среднюю скорость необратимых изменений
коэффициента устойчивости склона (за год в настоящее время и ее
прогноз на период Т) АК^ = /(г);
определяют зависимость амплитуды Л обратимых колебаний
коэффициента устойчивости склона от показателей F
соответствующих факторов — А = /(X F) 5
рассчитывают среднюю величину годовой амплитуды Д^
отрицательного отклонения коэффициента устойчивости склона и
вероятной максимальной ее величины Д^ за период Т.
2. Анализ данных:
Определяют возможность оползня; конечная средняя годовая
величина коэффициента устойчивости склона К*р в конце
прогнозируемого периода Т составит К*? = К%? - Т • АКср,
если К*? - Д^ > 1 — оползень маловероятен;
К%р - Д^ < 1 — оползень возможен;
Кср ~ Лф < 1 ~~ вероятность оползня очень велика;
Рассчитывают вероятное время ton смещения оползня (лет от
начала прогнозируемого периода), т.е. наиболее вероятно смещение
оползня в период от (к^ - Д^ - lj/Afi^ до \К^ - Д,р - i)/a#cp •
Пример. Определить вероятное время возникновения оползня в
горизонтальных склонах.
Исходные данные. Прогнозируемый период Т = 50 лет; значение
среднего начального коэффициента устойчивости склона К^ = 1,27.
Сравнительно равномерный подмыв подошвы склона и
сопутствующие процессы обуславливают среднее годовое уменьшение
коэффициента его устойчивости АК =5-10~3; среднее годовое отрица-
121

тельное отклонение коэффициента устойчивости склона в результате
колебаний его водонасыщения и пригрузки основания наносами
4p = ±3-10"2.
Максимальное негативное отклонение коэффициента
устойчивости склона за 50 лет (соответствующее наиболее неблагоприятному
сочетанию факторов в течение года 2%-й обеспеченности)
Anax = -<U.
Решение. Наиболее вероятное смещение оползня следует
ожидать в период
от (1,27-0,10-1,0)/0,005 до (1,27 - 0,03- 1,0)/0,005,
т.е. через 34...48 лет. Следовательно, возведение на этом склоне
объекта со сроком амортизации 50 лет и более требует
дополнительного проведения противооползневых мероприятий. Тем не менее
временные (рассчитанные на 10... 15 лет) объекты в настоящее
время и в ближайшие годы возводить можно.
На практике обычно заблаговременно выявляют условие,
изменение которого способно вызывать оползни участка склона, и
выполняют все противооползневые мероприятия, повышающие
устойчивость пород. Для этого в пределах оползневых участков организуют
постоянное наблюдение с целью выявления причин возникновения
оползневых смещений, изучения их динамики и определения
противооползневых мероприятий. Наблюдение ведут специальные посты
со специалистами оползневых станций, в задачу которых входит
контроль за колебанием уровней воды в колодцах дренажных
сооружений, в буровых скважинах, реках, озерах и водохранилищах; за
режимом подземных вод; скоростью и направлением оползневых
смещений; выпадением и стоком атмосферных осадков. На наиболее
ответственных участках такие посты оборудуют створы глубинных
реперов и наблюдают за ними. В качестве реперов обычно
используют буровые штанги длиной 2...2,5 м. В районах глубокого
промерзания штанги-реперы устанавливают на глубину до 3 м и заливают
раствором цемента. Особенно внимательно наблюдение за реперами
ведут в осенне-весенний период, когда выпадает наибольшее
количество осадков (являющихся одной из основных причин
возникновения оползней).
На основании анализа результатов проведенных наблюдений
выявляют оползневые районы и выполняют противооползневые
работы на тех участках, где зафиксировано смещение пород.
122

6.3. Основные противооползневые
мероприятия и борьба с оползнями
Борьба с оползнями основана на обеспечении устойчивости
склона. Общими противооползневыми мероприятиями для оползней всех
видов являются:
отвод поверхностных вод, притекающих к оползневому участку
со стороны (устройство нагорных канав);
отвод атмосферных вод с поверхности оползневого участка;
разгрузка оползневых склонов (откосов), террасирование
склонов;
посадка древесной и кустарниковой растительности в комплексе с
посевом многолетних дернообразующих трав на поверхности
оползневых склонов;
спрямление русел рек и периодически действующих водотоков,
подмывающих основание оползневых склонов;
берегоукрепление (буны, донные волноломы, струенаправляющие
устройства, защитные лесонасаждения и др.) в основании
подмываемых оползневых склонов;
отсыпка (намыв) земляных (песчаных, гравийных, каменных)
контрбанкетов у основания оползневых склонов.
Противооползневые меры механического удержания земляных
масс в равновесии включают: перераспределение земляных масс на
оползневых склонах (планировку склона и его террасирование);
устройство подпорных стенок; возведение контрбанкетов,
контрфорсов, свайных рядов и др.
Подпорные стенки целесообразно устраивать при сравнительно
небольших оползнях на склонах при нарушении их устойчивости
(подрезки, подмывки, пригрузки и др.). Подпорные стенки, как
правило, устраиваются из сборного железобетона или хорошо
обожженного кирпича и камня. Для повышения устойчивости подпорных
стенок обычно устраивают застенный дренаж. При расчете
подпорных стенок необходимо определить оползневое давление на стенку,
а также временную нагрузку на откос и непосредственно на стенку.
Контрбанкеты являются довольно эффективным
противооползневым мероприятием. Они устраиваются у подошвы действующих или
потенциальных оползней и своей массой препятствуют смещению
оползневого грунта. Протяженность контрбанкета определяется
размерами оползня, ширина и высота - в зависимости от устойчивости
оползневой массы. Контрбанкеты, как правило, устраиваются из
грунта, а в отдельных случаях из бутового камня, укладываемого в
123

основании оползня в виде призмы. При возведении контрбанкетов
из недренирующих и слабодренирующих грунтов необходимо
предусмотреть каптаж грунтовых вод в зоне устройства контрбанкетов.
На поверхности контрбанкетов должны быть предусмотрены меро^
приятия по отводу поверхностных вод и борьбе с эрозией почв,
травосеяние и др.
Контрфорсы — подпорные сооружения, удерживающие грунт
склонов и откосов от смещения, и врезающиеся подошвой в
устойчивые слои грунта. Обычно они возводятся из каменной кладки на
цементном растворе, бетона или бутобетона. По своей конструкции
они могут быть дренажными или без дренирующих элементов. В
основании дренажа контрфорсов рекомендуется укладывать
водоотводные трубы (асбестовые, керамические, бетонные) диаметром
150...200 мм.
Свайные ряды (сваи-шпонки) — применяются, как правило, в
период временной стабилизации оползней, имеющих небольшую (до
4 м) мощность смещаемого тела. Сваи (железобетонные, бетонные,
металлические) забивают в шахматном порядке в 2...3 ряда на
глубину 2 м в несмещаемую породу. Чтобы не нарушить устойчивость
склона при забивке, целесообразно устанавливать сваи в
предварительно пробуренные скважины. Можно использовать также
непригодные рельсы и стальные трубы диаметром 300...400 мм с
последующей заливкой их бетоном. Размещать свайные ряды необходимо
в нейтральной или пассивной (контрфорсной) части оползня.
Одним из важных противооползневых приемов является отвод
поверхностных вод. Для отвода воды устраивается система
нагорных водоотводных канав, лотков и ограждающих валов. Если
рельеф оползневых склонов сильно пересечен, то целесообразно на
водоотводных канавах устраивать перепады, быстротоки, шахтные или
консольные водосбросы, обеспечивающие их нормальную работу.
Достаточно эффективным видом борьбы с оползнями является и
дренирование склонов. По конструкции дренажи бывают четырех
типов: горизонтальные (трубчатые) дренажи-преградители;
дренажные галереи; вертикальные и комбинированные дренажи.
Горизонтальные дренажи обычно применяются при неглубоком
(до 4...8 м) залегании водоупора, т.к. они укладываются в
открытые траншеи. Для устройства дренажа могут применяться
керамические, бетонные или асбестоцементные трубы. Диаметр и тип труб
определяются гидравлическим расчетом и зависят от агрессивности
подземных вод. Для проверки работы дренажа по его трассе
устраивают смотровые, поворотные и перепадные колодцы. Такие типы
124

дренажей рекомендуется устраивать на остановившихся оползнях
или в местах, где им не угрожают оползневые смещения. Для
удаления воды, содержащейся в трещинах и пустотах движущегося
оползневого тела, целесообразно применять простейшие
конструкции фашинного дренажа, т. к. этот тип дренажа достаточно гибкий
и способен выдерживать значительные деформации, создаваемые
небольшими подвижками.
Дренажные прорези применяются в тех же случаях, что и
фашинный дренаж, т. е., в основном, на движущихся оползнях. При
массовом (площадном) выклинивании подземных вод на
стабилизировавшихся оползневых склонах или устойчивых оползневых
террасах целесообразно применять пластовые дренажи.
Дренажные галереи обычно применяют в местах глубокого
залегания водоносного горизонта, питающего оползневый склон водой.
Они эффективны при значительной водообильности и хорошей
водоотдаче грунтов. Их рекомендуется применять только в общем
комплексе противооползневых мероприятий, т. к. их устройство очень
трудоемко и дорого.
Вертикальные дренажи (буровые скважины или шахтные
колодцы) применяют при дренировании одного или нескольких
водоносных горизонтов при большой глубине их залегания. Отвод воды из
вертикальных дренажей производится в специальные водосборные
галереи.
Комбинированные дренажи представляют сочетание
горизонтальных и вертикальных дренажей, объединенных в одну систему. Они
широко применяются на оползневых склонах с несколькими глубоко
залегающими водоносными горизонтами, разделенными
водоупорными пластами.
Для борьбы с оползнями можно использовать и простейшие
инженерные сооружения: нагорные канавы и дренажи.
Нагорные канавы предназначены для отвода воды с поверхности
оползневого участка. Их устраивают глубиной 0,6... 1,5 м выше
верхней границы оползневого участка. Канавы по возможности
рекомендуется отрывать прямыми без резких изломов и поворотов, т.
к. в таких местах обычно изменяется скорость течения воды и
происходит отложение наносов. В результате сечение канав
уменьшается, и они не могут пропускать расчетное количество воды. На
оползнях глубиной до 2 м канавы можно отрывать поперек оползня.
В этом случае ширина канавы должна быть в 3...5 раз больше ее
глубины.
125

Для дренирования оползневых склонов можно использовать
систему поперечных дренажей в сочетании с дренажами-прорезями,
устраиваемыми вниз по склону.
Поперечные дренажи со сплошным заполнением представляют
траншею глубиной 2...3 м, заполняемую (полностью или частично)
щебенкой или хворостом. Уклон дна траншеи должен быть не менее
0,005.
В щебенчатых дренажах (рис. 6.1, 6.2) траншею в средней
части заполняют щебнем или камнем, а в боковых частях —
глинобетоном или хорошо промытым крупнозернистым песком.
Достаточно эффективным средством закрепления крутизны
оползневых склонов является посадка древесной и кустарниковой
растительности в комплексе с посевом многолетних дернообразую-
щих трав. Корневая система деревьев и кустарников надежно
связывает верхние слои почвы с нижележащими, предупреждая
возможное сползание почвогрунтов вниз по склону. Закрепление
склонов с помощью лесонасаждений особенно эффективно при борьбе с
оплывинами и неглубокими оползнями-потоками. Высаживать их
рекомендуется поперек склона рядами на расстоянии до 1,5 м один
от другого.
Кроме того, для закрепления оползневых склонов и защиты их
от эрозии можно использовать дернообразующие однолетние и
многолетние травы, корневая система которых хорошо защищает почву
от размыва.
Для закрепления берегов рек, водохранилищ и морских обрывов,
подвергающихся оползневым процессам, целесообразно применять
откосные покрытия из железобетонных- плит на сплошных гравий-
нопесчаных обратных фильтрах.
Рис. 6.1. Устройство щебенчатого
дренажа; 1 — песок; 2 — глина; 3 —
гравий; 4 — камень; 5 — глинобетон
Рис. 6.2. Размещение дренажной
траншеи на оползневом склоне:
1 — песок; 2 — дренажная траншея;
3 — застой воды; 4 — плотная глина
126

Глава 7. Снежные лавины
7.7. Распространение, формирование и
основные характеристики снежных лавин
Лавина (от позднелат. labina — оползень) — снежный обвал
массы снега на горных склонах, пришедшей в интенсивное
движение. Снежные лавины представляют серьезную опасность. В
результате их схода гибнут люди, уничтожаются материальные ценности,
парализуется работа транспорта, блокируются целые районы, могут
возникать наводнения (в том числе прорывные наводнения) с
объемом подпруженного водоема до нескольких миллионов кубометров
воды. Высота прорывной волны в таких случаях может достигать
5...6 м. Лавинная активность приводит к накоплению селевого
материала, так как вместе со снегом выносятся каменная масса,
валуны и мягкий грунт.
Возникновение лавин возможно во всех горных районах, где
устанавливается снежный покров. Для схода лавин необходимо
наличие благоприятного сочетания лавинообразующих факторов, а
также склонов крутизной от 20 до 50° при толщине снежного покрова
не менее 30...50 см. К лавинообразующим факторам относятся:
высота старого снега, состояние подстилающей поверхности, величина
прироста свежевыпавшего снега, плотность снега, интенсивность
снегопада, оседание снежного покрова, метелевое перераспределение
снежного покрова, температурный режим воздуха и снежного
покрова. Наиболее важными из них являются прирост
свежевыпавшего снега, интенсивность снегопада и метелевый перенос. В
отсутствие осадков сход лавин является следствием интенсивного таяния
снега под воздействием тепла и солнечной радиации и процесса
перекристаллизации, приводящих к разрыхлению снежной толпщ
(вплоть до образования мелкодисперсной снежной массы в глубине
этой толщи) и ослаблению прочности и несущей способности
отдельных слоев.
Формирование лавин происходит в лавинном очаге,
представляющем собой участок склона и его подножия, в пределах которого
движется лавина. Принято различать три зоны лавинного очага:
зона зарождения (лавиносбор), зона транзита (лоток), зона останов-
127

ки (конус выноса) лавины (рис. 7.1.). Основными параметрами
лавинного очага являются:
превышение АН лавинного очага (разность максимальной и
минимальной высот склона в пределах лавинного очага);
площадь F лавинного сбора, его длина L и ширина В ;
средние углы лавиносбора а} и зоны транзита ос2.
Классификация лавин, учитывающая природу их формирования,
представлена в табл. 7.1.
До 70% всех лавин обусловлены снегопадами. Эти лавины сходят
во время снегопадов или в течение 1...2 суток после их
прекращения.
По частоте схода (повторяемости) принято различать:
систематические лавины (сходят каждый год или один раз в 2...3
года);
спорадические лавины (сходят 1...2 раза в 100 лет и реже, место
схода трудно определить).
В отдельных районах за зиму и весну систематические лавины
могут сходить по 15...20 раз.
Обильные снегопады, а также землетрясения силой 5...6 баллов
и более являются причинами формирования катастрофических
лавин.
Слобиносйор)
Зома оста*о8ки
Рис. 7.1. Схема лавинного очага: L^^ — дальность выброса лавины; В —
ширина лавиносбора; Ь — ширина выброса (конуса выброса); ОС] — средний угол
лавиносбора; ОС2 — средний угол транзита; АН — превышение лавинного очага
Лавины метелевого типа преобладают в Хибинах (до 80%) и
реже встречаются в горах умеренных широт и южного пояса России.
Лавины из свежевыпавшего снега преобладают в районах южного
пояса Кавказа.
128

Результаты действия лавин на элементы инфраструктуры
лавиноопасной территории (инженерные сооружения, транспортные или
иные коммуникации, здания и сооружения) определяются
характеристиками лавины (табл. 7.2.). Так, лавина объемом 10 м3
представляет серьезную опасность для человека или автомобильной
техники. Более крупные лавины способны разрушить капитальные
инженерные сооружения, образовывать труднопроходимые или
непроходимые завалы на дорогах, блокировать жизнедеятельность целых
районов. Катастрофические лавины могут наносить чрезвычайно
большой ущерб, блокировать целые регионы в сотни квадратных
километров, особенно при землетрясениях.
Скорость лавины является одной из основных ее характеристик.
Для приближенных расчетов скорость перемещения фронта лавины
(скорость лавины) может быть принята равной 50...90 м/с. Она
выше скорости течения снежной массы за фронтом (в потоке).
Сила удара достигает 0,4 МПа, а при наличии в лавине твердых
включений превышает это значение в несколько раз. Удар фронта
лавины по преграде сменяется воздействием на преграду давления
обтекания, условно принимаемого квазистационарным.
Движение сухой лавины обычно сопровождается
снежно-пылевым облаком. Перемещение такого облака подобно течению
тяжелого газа. В отдельных случаях (высокие скорости фронта лавины,
высокая плотность снежно-пылевого облака) перед фронтом лавины
возникает ударная волна. Воздействие такой ударной волны и
снежно-пылевого облака сходно с действием воздушной ударной волны
взрыва. Оно распространяется дальше границы выброса лавины.
Водонасыщенные лавинные потоки подобны гидравлическим
потокам. Их действие рассчитывается так же, как действие воздухона-
сыщенной жидкости или селевой массы. Возможность достижения
лавиной объекта оценивают по дальности выброса. Принято
различать максимальную дальность выброса 1^^ (определяемую
расчетом для наиболее неблагоприятных условий) и наиболее вероятную
А>р (среднемноголетнюю, определяемую по данным наблюдений).
Повторяемость схода лавин (особенно внутрисезонную)
необходимо учитывать при планировании и выполнении работ в
лавиноопасных районах.
7.2. Прогнозирование лавин
Прогнозирование лавин сводится к определению периода, во
время которого действие лавинообразующих факторов приводит к
сходу лавин. Определение периода возможного лавинообразования,
5—1087
129

участков схода лавин и ожидаемых объемов лавинных завалов
позволяет спланировать порядок выполнения и объемы работ по
ликвидации последствий схода лавин, а также обеспечить, наряду с
другими мерами, безопасность их выполнения.
Наиболее распространенные признаки лавинной опасности
представлены на рис. 7.2. Характеристики лавиноопасных территорий и
данные по степени лавиноопасности основных типов таких
территорий представлены в табл. 7.3... 7,6. Эти данные позволяют оценить
степень лавинной опасности территории и возможные объемы
лавинных завалов.
Прогноз лавинной опасности может быть фоновым, районным и
детальным (табл. 7.7). В настоящее время районный и детальный
'прогнозы не могут быть получены без данных об устойчивости
снежного покрова. Эти данные требуют проведения разведки лавинных
очагов, соответствующих специальных измерений и расчетов.
Фоновый прогноз лавин составляется службами Госкомгидромета.
Признаки лавинной
опасности
Резкие
изменения погоды
с
Сильные
снегопады
Оттепели
Ясная солнеч
ная погода
)
( Прирост высоты
снега до 30...50 см
(особенно с ветром)
Продолжительные
метели
с
Дожди
в горах
Наличие водь
в снежном
покрове
Наличие горизонтов
разрыхления в
снежном покрове
Образование
снежных карнизов,
скопление снега
/Скатывание
со склонов
снежных
комьев
/Появление
пустот в
снегу
Рис. 7.2. Признаки лавинной опасности.
7.5. Расчет основных параметров лавин
Основными параметрами, которые необходимо знать при
планировании и выполнении работ по ликвидации последствий схода ла-
130

вин, а также при выполнении иных работ в горных условиях,
являются: количество и площадь лавинных очагов; сроки начала и
окончания лавиноопасного периода; объем лавин (средний и
максимальный); скорость движения, дальность выброса и сила удара; высота
лавинного потока.
Количество и площадь лавинных очагов могут быть определены
по топографической карте (масштаб 1:25000...1:50000) по рельефу
местности или на основе данных разведки и ближайших
метеостанций.
Сроки начала и окончания лавиноопасного периода определяют
по периоду залегания устойчивого снежного покрова (по данным
метеостанций) с учетом вертикального градиента, составляющего
примерно 6...7 дней на 200...250 м высоты.
Степень устойчивости снежных масс оценивают показателем
Ку = ty/i, где ту — предельное сопротивление сдвигу в плоскости
возможного скольжения, т — касательное напряжение в этой
плоскости от собственного веса снега. Возникновение лавин возможно
при К у < 4, а при К у < 1 — неизбежно.
Объем лавин рассчитывается по формулам
Утлх = S/w , Уер = KS\p , (7.1)
где S — лавиноактивная площадь; /г^, hmQX — средняя и
максимальная высоты снежного покрова в очаге (по многолетним данным);
Я~0,5 — эмпирический коэффициент.
Скорость v, м/с, лавины определяется по формуле
» = ^Ф~С, (7.2)
а динамическое давление рп, Па, на поверхность препятствия,
расположенного перпендикулярно направлению движения лавины,
равно
рп =K}-±pv2 =2pghc, (7.3)
где р — плотность лавинного снега, кг/м3, принимаемая равной
300 кг/м3 для лавины из свежевыпавшего снега, 400 кг/м3 для
лавины из старого снега, 500 кг/м3 для лавины из мокрого снега; g —
ускорение свободного падения, м/с2.
Величину /гс, м, определяют по данным рис. 7.3.
Если поверхность препятствия образует угол р с направлением
движения лавины, давление определяется по формуле
р = рп sin2 p. (7.4)
5*
131

Суммарную нагрузку N, Н, на препятствия типа столбов при их
обтекании лавиной определяют по формуле
N = ±pv2S, (7.5)
где 5, м2, — площадь проекции обтекаемого препятствия на
плоскость, перпендикулярную направлению движения лавины.
При косом ударе лавины, кроме нормальной силы, возникает
касательное напряжение F = К р, где Кт « 0,3 — коэффициент
трения, р — нормальное давление (рис.7.4).
Давление на крышу сооружения, наклоненного под углом <хс к
горизонту, равно
p = pgHJlcosac, HJl=v2/(2gcosa),
где Нл — высота фронта лавины, м, а — угол наклона склона на
подходе лавины к сооружению.
Рис. 7.3. Схема для
определения hc
(поперечный разрез лавинного
очага по траектории
движения лавины)
Рис. 7.4. Схема
взаимодействия лавины с соору:
жением, врезанным в
склон
132

Таблица 7.1. Классификация снежных лавин
Тип лавины
lf||fil
Особенности |
Движение по фиксированному руслу 1
Отрыв и двгокение по всей поверхности склонов
Свободное падение с уступов склонов
Движение по поверхности нижележащего слоя снега
Движение по поверхности грунта
Сухой снег в лавинном очаге
Мокрый снег в лавинном очаге
Таблица 7.2. Диапазоны основных характеристик
снежных лавин
Наименование показателей
Масса 7п, т 1
Объем V, м3
Скорость движения v, м/с
Динамическое давление рп, МПа
Дальность выброса 1^^, м
Повторяемость, ед/год
Плотность лавинного снега р, т/м3
Высота фронта лавины Нл
Площадь сечения лавинного потока, м2
Коэффициент лавинной активности
площади (отношение лавиноактивной
площади к суммарной) Ks
Коэффициент поражения дна долины
(отношение поражаемой длины дна долины
ко всей длине на данном участке) Кт
Объем лавинных завалов на дне долин и
[дорогах, м3
Величина 1
от единиц до 107 т 1
от единиц до 107 м3
мокрые лавины 10...20
сухие лавины 20... 100
до 2
до 2000
0,01...20
сухая лавина 0,2...0,4
мокрая лавина 0,3...0,8
от долей метра до 10 м
от единиц до 103 м2
0,3...1,0
0,2...1,0 '
до 107
133

Таблица 7.3. Характеристики лавиноопасных территорий при
различных превышениях АН лавинного очага
1 Тип
территории
1
Низкогорный
1
Средне-горный лугово-
лесной
1 Среднегор-
ный луговой
1
Высокогорный прилед-
никовый
1
Высокогорный
ледниковый
ДА
среднее
100
300
450
250
300
г, м

максимальное
400
1000
1400
1000
600
Условия лавинообразования
и элементы режима
Образование лавин ограничено 1
величиной снегонакопления.
Могут формироваться небольшие
лавины. Большинство лавин
останавливается на склонах
Формирование лавин ежегодное. 1
В нижней части пояса, а также
на залесенных склонах
образуются, как правило, малые лавины.
На безлесных склонах активность
лавинообразования быстро
увеличивается с высотой. В
многоснежные зимы большинство лавин
достигает дна долин
В нижней части пояса у границы
леса ежегодно формируются
мощные лавины; здесь максимум
лавинной активности. Лавины
обычно достигают дна долин
Формирование лавин ежегодное,
в большинстве очагов в холодный
сезон возможен неоднократный их
сход. Большинство лавин,
лотковые или склоновые, как правило,
достигает дна долин
Ежегодный многократный сход
лавин в большинстве очагов.
Формируются преимущественно
лотковые лавины, на ледниковых
склонах — склонновые. Лавины
обычно достигают дна долин
134

Таблица 7.4. Классификация лавинной опасности
Степень опасности
Незначительная
| Слабая
Небольшая
Умеренная
Большая
Максимальная
Характеристика 1
Сход небольших лавин в редких лавинных оча- 1
гах практически не представляет угрозы для
людей, техники и сооружений
Опасности от лавин можно избежать без
специальных противолавинных мероприятий
Обеспечение безопасности достигается
использованием прогноза и профилактикой
Освоение территории требует возведения
противолавинных сооружений (удерживающих
щитов, отклоняющих стенок и др.)
Освоение территории невозможно без
возведения капитальных — защитных и
противолавинных сооружений (дамб, галерей)
Обеспечение безопасности существующими
способами практически невозможно
Таблица 7.5. Характеристика лавинной опасности
в зависимости от величины АЯ, м
Характеристика
i A
1; Б
В
; г
д
1- Е
100
0,35
0,05
-
1
8
10
200
0,55
0,15
75
2
7
11
гзоо"
0,7
0,25
ПО
3
6
9
400
0,8
0,35
140
6
4
6
500
0,9
0,50
170
9
3
5
600
0,95
0,65
200
12
2
4
700
1,0
0,75
230
17
2
3
800
1,0
0,80
260
22
1,5
2
900
1,0
0,85
290
27
1,5
2
1000 1
1,0
0,90
320
33
1,5
2 !
В табл. 7.6 приняты следующие обозначения характеристик:
А - коэффициент лавинной активности площади, Ks
Б - доля очагов лотковых лавин в общей площади лавиноопасных склонов
В - средняя ширина зоны выброса лотковых лавин, м
Г - средняя площадь лавиносборов, га
Д - количество лавинных очагов на 1 км долины
Е - количество лавинных очагов на 1 км2 долины
135

Таблица 7.6. Лавинная опасность территорий при различной
высоте снега
Высотный
ландшафтный
пояс
Низкогорный
степной
Среднегорный
лесолуговой
(долины и
водоразделы
узкие)
Среднегорный
луговой
(долины и
водоразделы узкие)
Высокогорный
приледниковый
(широкие
долины и узкие
водоразделы)
Высокогорный
ледниковый
(широкие
долины и узкие
водоразделы)
Тип рельефа (АЯ, м)
Овражно-балочный мел-
корасчлененный (до 250)
с узкими долинами и
широкими водоразделами
Среднерасчлененный
(250...500)
Глубокорасчлененный
(500...1000)
Среднерасчлененный
(250...500)
Глубокорасчлененный
(500...1000)
Глубокорасчлененный
(>1000)
Холмисто-увалистый
Среднерасчлененный
(250...500)
Глубокорасчлененный
(500...1000)
Среднерасчлененный
(250...500)
Глубокорасчлененный
(500...1000)
Средний максиммум 1
высоты снега, см |
30...70

Незначительная
Слабая

Небольшая

Умеренная
Большая
Большая

Незначительная

Умеренная

Умеренная
-
70...100

Незначительная
Слабая

Небольшая
Большая

Максимальная

Максимальная

Незначительная

Умеренная
Большая
Большая

Максимальная
более 1
100
Неболь- 1
шая

Умеренная
Большая 1

Максимальная

Максимальная

Незначительная
Большая
Большая
Большая

Максимальная 1
136

Таблица 7.7. Характеристики различных видов прогноза
лавинной опасности
Характеристика
Охватываемая
территория
Заблаговре-
менность
прогноза
Исходная
информация для
прогноза
Назначение
прогноза
Прогноз |
Фоновый
Горная
сторона,
хребет, крупная
территория
1...3 сут

Аэросиноптическая,

метеорологическая,
сведения о

снегонакоплениях
Оценка
лавиноопасное-
ти по
региону
Районный
Долина,
перевальные участки,
группы лавинных
очагов
Несколько часов
Метеоусловия,
данные об
устойчивости снежной
толщи
Предупреждение
о лавинной
опасности,
корректировка планов
работ
Детальный 1
Отдельный ла- 1
винный очаг,
горный склон
Метеоусловия,
данные об
устойчивости
снежной толщи
Оценка
состояния лавинного
очага, горного
склона
137

Глава 8. Аварии на предприятиях,
хранилищах и складах взрыво-
и пожароопасных веществ
8.L Наземные объекты
Потенциальными объектами аварий, связанных со взрывом,
являются, как правило, хранилища и склады взрыво- и
пожароопасных веществ. Сюда относятся нефтесклады и нефтебазы, склады
ракетного топлива, склады артиллерийских боеприпасов, склады
инженерных боеприпасов, склады взрывчатых веществ (ВВ) и т.п.
Однако часто происходят взрывы, связанные с тяжелыми
авариями и человеческими жертвами, также и на промышленных
предприятиях. Взрываются котлы в котельных, газы, аппараты,
продукция и полуфабрикаты на химических предприятиях, пары бензина и
других компонентов на нефтеперегонных заводах, мучная пыль на
мельничных комбинатах и зерновых элеваторах, сахарная пудра на
сахаро-рафинадных заводах, древесная пыль и лакокрасочные пары
на деревообрабатывающих комбинатах, газовые конденсаты при
утечке из газопроводов и т.п. Случались взрывы при перевозках
взрывчатых веществ транспортом (например, взрыв двух вагонов
4.10.88 г. на станции Свердловск-сортировочная Свердловской
железной дороги: тротил - 47,9 т и гексоген - 41 т).
Особенно подвержены взрывам с тяжелыми последствиями
шахты и рудники, где взрываются угольная пыль и газ.
Наиболее частой причиной взрыва является искра, в том числе -
в результате накопления статического электричества. Электрическая
искра может возникать вообще без всяких проводников и сетей.
Она опасна тем, что возникает в самых неожиданных местах: на
стенках цистерн, на шинах автомобиля, на одежде, при ударе, при
трении и т.п. Другой причиной взрыва являются халатность и
недисциплинированность работников предприятий (взрыв вагонов на
станции Свердловск-сортировочная произошел из-за халатности
железнодорожного диспетчера, грубо нарушившего правила
производства маневренных работ и обращения с вагонами, содержащими
разрядный груз).
При авариях, связанных со взрывами, происходят сильные
разрушения и имеют место большие людские потери. Разрушения явля-
138

ются следствием бризантного действия продуктов взрыва и
воздушной ударной волны. Характер и размеры зоны разрушений зависят
от мощности взрыва и параметров ударной волны — избыточного
давления на фронте волны и длительности действия давления.
Разрушения от ударной волны вызываются как фазой сжатия, так и
разрежения, причем для некоторых конструкций фаза разрежения
может быть определяющей.
Аварии, связанные со взрывами, часто сопровождаются
пожарами. Взрыв иногда может привести к незначительным разрушениям,
но связанный с ним пожар может вызвать катастрофические
последствия и последующие, более мощные взрывы и более сильные
разрушения. Причины пожаров, как правило, те же, что и взрывов.
При этом взрыв может быть причиной или следствием пожара, и
наоборот, пожар может быть причиной или следствием взрыва.
По взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности все
промышленные производства подразделяются на шесть категорий: А, Б,
В, Г, Д, Е. К категории А относятся нефтеперерабатывающие
заводы, химические предприятия, склады нефтепродуктов и пр., как
наиболее опасные; к категории Б — цехи приготовления и
транспортировки угольной пыли, древесной муки, сахарной пудры, выбойные
и размольные отделения мельниц и др.; к категории В —
лесопильные, деревообрабатывающие, столярные, мебельные, лесотарные и
т.п. предприятия. Производства категорий Г, Д и Е не
представляют такой серьезной опасности, как производства категории А, Б, В.
Строительные материалы по возгораемости делятся на три
группы: несгораемые (НСг), трудносгораемые (ТСг), сгораемые (Сг).
Несгораемые — это такие материалы, которые под воздействием
огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не
обугливаются. К трудносгораемым относятся материалы, которые
под воздействием огня или высокой температуры с трудом
воспламеняются, тлеют или обугливаются и продолжают гореть или тлеть
только при наличии источников огня; при его отсутствии горение
или тление прекращается. Сгораемые — это такие материалы,
которые под воздействием огня или высокой температуры
воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления
источника огня.
Наиболее опасны здания и сооружения из сгораемых материалов.
Но даже здания, выполненные из несгораемых материалов, могут
выдерживать воздействие огня или высоких температур только
определенное время. Предел огнестойкости конструкций определяется
временем, в течение которого не появляются сквозные трещины,
139

конструкция не теряет несущей способности, не обрушивается и не
нагревается до 200°С на противоположной стороне.
Здания и сооружения делятся на пять групп в зависимости от
степени огнестойкости их частей (табл. 8.1). Перечень частей
зданий и сооружений в таблице следующий:
1) несущие и самонесущие стены, стены лестничных клеток;
2) заполнения между стенами;
3) совмещенные перекрытия;
4) междуэтажные перекрытия;
5) перегородки (не несущие);
6) противопожарные стены (брандмауэры).
Таблица 8.1. Деление зданий и сооружений на группы по
степени огнестойкости (Ст)
Ст
I
II
III
IV
V
Части зданий и сооружений |
1
НСгЗч
НСг 2,5 ч
НСг 2 ч
ТСг 0,5 ч
Сг
2
НСгЗч
НСг 0,25 ч
НСг 0,25 ч
ТСг 0,25 ч
Сг
3
НСг 1ч
НСг 0,25 ч
Сг 0,25 ч
Сг 0,25 ч
Сг
4
НСг 1,5 ч
НСг 1ч
ТСг 0,75 ч
ТСг 0,25 ч
Сг
5
НСг 1ч
НСг 0,25 ч
ТСг 0,25 ч
ТСг 0,25 ч
Сг
6
НСг 4 ч
НСг 4 ч
НСг 4 ч
НСг 4 ч
НСг
Для предотвращения взрывоопасных ситуаций принимается
комплекс мер, которые зависят от вида выпускаемой продукции.
Многие меры являются специфическими и могут быть присущи только
одному или нескольким видам производств.
Специфические меры безопасности регламентированы в
соответствующих руководящих документах на производство той или инрй
продукции. В их число входят: устройство отсекающих задвижек на
трубопроводах с определенным интервалом (на аммиакопроводах,
например, через 10 км); установление предельных норм допустимой
вибрации оборудования и трубопроводов; исключение возможности
совмещения различных горючих материалов; хранение на складах
только кондиционных материалов; недопущение содержания в них
примесей сверх допустимых пределов, особенно примесей,
катализирующих процесс разложения - при производстве азотной кислоты и
ее солей (аммиачной селитры, нитрофоски); обвалование участков
территории с растекающейся жидкостью и многие др.
140

Существуют меры, соблюдение которых необходимо для всех
видов химического производства или, по крайней мере, для их
большинства. В первую очередь для всех взрывоопасных производств,
хранилищ, баз, складов и т.д., имеющих в своем составе
взрывчатые вещества, предъявляются требования к территории для их
размещения, которые выбираются по возможности в незаселенных или
малозаселенных районах. При невозможности выполнения этого
условия строительство должно осуществляться на безопасных
расстояниях от населенных пунктов, других промышленных предприятий,
железных и шоссейных дорог общего пользования, водных путей и
иметь свои подъездные пути.
Безопасные расстояния от городов, населенных пунктов, заводов
и сооружений государственного значения для складов боеприпасов
зависят от емкости хранилищ и принимаются в соответствии с табл.
8.2.
Таблица 8.2. Безопасные расстояния от складов до внешних
объектов
Емкость наибольшего
хранилища ВВ, т
до 10
до 15
до 30
до 60
до 80
1 до 240
Минимальные расстояния, м 1
800
1000
1500
2000
2250
3500
Емкость хранилищ и штабелей на открытых площадках не
должна превышать максимальной, обеспечивающей соблюдение
безопасного расстояния, при котором невозможна передача детонации при
взрыве ВВ (боеприпасов) в одном из хранилищ (штабелей) к ВВ
(боеприпасам) в других хранилищах (штабелях). Определение
безопасных расстояний по передаче детонации производится по
графикам, приведенным на рис. 8.1, 8.2.
Устройство обвалований хранилищ (штабелей) на складах ВВ
(боеприпасов) позволяет примерно в два раза сократить расстояния
между ними и, таким образом, сократить общую территорию
склада.
В химической и нефтехимической промышленности применяются
автоматические системы защиты, целью которых являются:
141

сигнализация и оповещение об аварийных ситуациях
производственного процесса;
вывод из предаварийного состояния потенциально опасных
технологических процессов при нарушениях регламентных параметров
(температуры, давления, состава, скорости, соотношения
материальных потоков и др.);
обнаружение загазованности производственных помещений и
автоматического включения устройств, предупреждающих об
образовании смеси газов и паров с воздухом взрывоопасных
концентраций;
безаварийная остановка отдельных агрегатов или всего
производства при внезапном прекращении подачи тепла и электроэнергии,
инертного газа, сжатого воздуха.
Рис. 8.1. График минимальных безопасных расстояний L: а)между открыто
расположенными боеприпасами в штабеле (активный заряд) и б)хранилищами (штабелями)
с пассивным зарядом из: 1 - аммиачно-селитряного BB; 2 - тротила и боеприпасов с его
содержанием; 3 - пластичного ВВ и боеприпасов с его содержанием; 4 - средств взрывания
(капсюли-детонаторы, электродетонаторы, детонируклций шнур, запалы, окончательно
снаряженные взрыватели); т - активный заряд. Сплошная линия - пассивный заряд открытий;
пунктирная - заглублен (хранилище с обваловкой).
Система автоматической защиты состоит их трех основных
функциональных частей:
• датчиков, воспринимающих изменение параметров, которые
передают сигнал на исполнительные устройства;
• исполнительных устройств, ликвидирующих аварийную
ситуацию или приводяпщх параметр технологического процесса к
нормальному уровню;
• логических устройств, принимающих сигналы и
координирующих действия исполнительных устройств с показаниями датчиков и
сигнализацией.
142

Рис. 8.2. График минимальных безопасных расстояний между
боеприпасами, расположенными: а) в заглубленных (обвалованных) хранилищах (активный
заряд), б Хранилищами (штабелями) с пассивным зарядом (обозначения те же, что и на
рис. 8.1)
Источниками аварий химических производств могут быть
прекращение подачи электроэнергии, снижение подачи пара й воды в
магистральных трубопроводах, в результате чего нарушается
технологический режим и создаются чрезвычайно опасные аварийные
ситуации. В связи с этихм принимаются меры по надежному
обеспечению тепло-электроснабжения химических предприятий,
совершенствованию технических средств, обеспечивающих их безопасную
остановку и последующий пуск.
Надежность обеспечения электроэнергией во взрывоопасных
производствах достигается установкой автономного источника
электроснабжения (в дополнение к двум, предусмотренным правилами для
питания технологических противоаварийных блокировок), систем
защиты производства и аварийного освещения. В качестве
дополнительного источника электроэнергии применяют генераторы с
двигателями внутреннего сгорания, находящиеся в постоянной
готовности, паровые турбины и аккумуляторные батареи с соответствующей
аппаратурой, преобразующей постоянный ток в переменный.
Непременным условием надежной безаварийной работы любого
производства является высокая профессиональная подготовленность
штатного персонала предприятий, баз, складов, а также
специальных аварийных бригад, осуществляющих ремонт, надзор и
ликвидацию аварий.
На протяженных трубопроводах аварийные бригады
рекомендуется располагать через каждые 100 км. Бригады должны быть
оснащены специально оборудованными автомашинами, на которых
должен находиться необходимый набор средств, обеспечивающих
возможность быстро проникать в загазованную зону и принимать необ-
143

ходимые меры предупреждения, локализации или ликвидации
аварий.
Со штатным персоналом предприятий, баз, складов необходимо
постоянно вести занятия по повышению квалификации, действиям в
условиях возможных чрезвычайных обстоятельств. Рекомендуется
создавать специальные тренажеры для отработки действий
производственного персонала и соответствующих специалистов в
аварийных ситуациях.
Существует, кроме того, ряд производств, в ходе технологических
процессов которых неизбежно образование больших количеств пыли
(химические, мукомольные, деревообрабатывающие и др.),
соединение которой с кислородом воздуха в определенных пропорциях
создает взрывоопасную концентрацию. Пределы взрывоопасной
концентрации устанавливаются опытным путем в зависимости от
состава пыли или находятся по справочникам.
Степень запыленности помещений определяют специальными
приборами. Приближенную оценку концентрации пыли С, г/м3, в
воздухе можно определить по формуле
C = hfd/V,
где h — толщина слоя пыли на поверхности, см; / — площадь
поверхности помещения, покрытая пылью, см; d — насыпная
плотность пыли, г/см3; V — объем помещения, м3.
Взрыву больших объемов пылевоздушных смесей, как правило,
предшествуют небольшие местные хлопки и локальные взрывы
внутри оборудования и аппаратуры. При этом возникают слабые
ударные волны, встряхивающие и поднимающие в воздух большие
массы пыли, накопившейся на поверхности пола, стен и
оборудования.
Чтобы исключить взрыв пылевоздушных смесей, необходимо не
допускать значительных скоплений пыли. Это достигается:
улучшением технологии производства, повышением надежности
оборудования, правильным расчетом и монтажом вентиляторных лылесосных
установок.
Инициатором практически всех взрывов газо—, паро—,
пылевоздушных смесей является искра, поэтому на всех производствах, где
возможно образование этих смесей, необходимо обеспечивать
надежную молниезащиту, защиту от статического электричества,
предусматривать мероприятия против искрения электроприборов и
другого оборудования.
144

8,2. Склады в подземных выработках
Для размещения складов взрывчатых материалов могут
использоваться существующие подземные горные выработки, выработки,
пройденные по заданным параметрам, и специально проходимые
выработки. Размещение складов в существующих выработках с
продолжающейся добычей полезных ископаемых не допускается.
Сохранность складов взрывчатых материалов от внешних
воздействий обеспечивается устройством защищенных входов,
газовоздушных трактов и других коммуникаций.
Безаварийная эксплуатация складов взрывчатых материалов в
подземных горных выработках достигается соблюдением общих
требований для наземных аналогов и специальных требований,
определяемых подземными условиями.
Сохранность складов при аварийном взрыве одного из хранилищ
обеспечивается правильным назначением емкостей хранилищ для
взрывчатых материалов, назначением безопасных расстояний между
ними, взаимным расположением и ориентацией хранилищ,
устройством защитных экранов по периметру хранилищ, рациональным
размещением взрывчатых материалов внутри хранилищ и другими
инженерными мероприятиями.
Максимальные емкости хранилищ определяют из условий
недопущения образования воронки выброса на поверхности земли при
аварийном взрыве в одном из хранилищ, а также исключения
возможности опасных сейсмовзрывных воздействий на объекты,
расположенные на поверхности вблизи подземного склада.
Определение безопасных по передаче детонации расстояний
между хранилищами, располагаемыми в изолированных выработках,
сводится к расчету радиуса разрушения вмещающих пород при
аварийном взрыве, а между хранилищами, соединенными подземными
галереями - к определению расстояния, обеспечивающего угасание
интенсивности ударных волн до безопасной величины.
145

Рис. 8.3. Схема выработки камерно-столбовой системы (фрагмент шахты
Гояны №1 Фаурештского месторождения Молдавии): XP1...XP4 - хранилища
боеприпасов; г - безопасные расстояния между хранилищами
Наиболее сложными являются вопросы обеспечения сохранности
складов взрывчатых материалов, размещаемых в многокамерных
подземных горных выработках, имеющих сложную
перфорированную структуру, ограниченную плоскостями пола и потолочины (рис.
8.3). На 8.4...8.6 приведены зависимости, позволяющие оценивать
146

характер угасания ударных волн в многокамерных горных
выработках при аварийном взрыве в одном из хранилищ, а также
определять расстояния между хранилищами взрывчатых материалов.
Безопасная величина давления в ударной волне АРф соответствует
условиям:
АРф < АР$ или АРтах < ДР$ ,
где АРтах — избыточное давление на фронте отраженной волны;
АРф — давление на фронте ударной волны, безопасное по
возбуждению детонации во взрывчатых материалах; АРф — расчетное
давление на фронте ударной волны на ограждающую конструкцию или
защитный экран.
Рис. 8.4. Давление АРф в выра- Рис. 8.5. То же, что на рис. 8.4,
ботках с коэффициентом перфо- при ос*= 0,7
рации 01* = 0,5: кривые 1...7
соответствуют г°=600, 800, 1400, 1800, 2200,
2600, 3000 м-1
Коэффициент перфорации а* (шкала на рисунках) равен
отношению площади пола выработки к общей площади шахтного поля.
Показатель энергии взрыва г° определяется по формуле
г°=ръ/Р0,
где Е0 - энергия взрыва (Е0 = QMKnX0); Q - теплота взрыва,
Дж/кг; М — масса взрывчатого материала, кг; Кп - коэффициент
перехода энергии взрыва в энергию ударной волны; Х0 — показа-
147

тель условий формирования ударной волны; Pq """ атмосферное
давление, МПа.
Параметр Х0 принимается в зависимости от отношения
X = г/гр , где г - расстояние между хранилищем и границей
шахтного поля, гр - граница разрушения породы взрывом: с одной
стороны хранилища Х0 = 1 при X > 3, Х$ = 2 при X < 3 и с двух
сторон хранилища А,0 = 4 при X < 4.
О <00 £00 300 400 500 600 * 0 i Ь б Ь Ю it * *
Рис. 8.6. То же, что на рис. 8.4, рис. g.7. Зависимость
"Р" а*=0'6 Ti = T,(*,Ii)
Хранилища взрывчатых материалов и другие элементы складов в
горных выработках должны размещаться равномерно по шахтному
полю. Расстояния между хранилищами и центральными
транспортными галереями должны устанавливаться не менее величины
радиуса зоны разрушения сплошной породы взрывом хранящегося
взрывчатого материала. Хранилища могут ограждаться легкими
конструкциями или оборудоваться защитными экранами. Защитные экраны
устраиваются по периметру хранилищ в виде грунтовой засыпки
пространства между целиками выработки на всю высоту до
потолочины. Толщина защитного груйтового экрана подбирается по
графику функции безразмерного параметра r\ = r\{K,Ll) (рис. 8.7), где
К = APmax /(pglo) — безразмерное давление, Ц — безразмерная
толпщна экрана, равная отношению толщины экрана 10 к величине
гидравлического радиуса L7 защищаемого проема, г| = AZ/Lj —
безразмерное смещение экрана, р — плотность грунта в теле экрана,
g — ускорение свободного падения, AZ — перемещение экрана.
Эффективная экранная защита хранилища достигается при
13<Zj <18.
148

Глава 9. Заторы и зажоры на реках
9.L Основные характеристики
Заторы, как правило, образуются при вскрытии рек в период
разрушения ледяного покрова при скоростях течения более 0,6 м/с,
главным образом на участках изменения уклонов водной
поверхности от большего к меньшему, на крутых поворотах реки, в
сужении русла реки, а также на участках с повышенной толщиной
ледяного покрова.
В результате заторов происходит подъем уровня воды в месте
затора и выше его по течению. Такой подъем весьма опасен, так как
нередко приводит к затоплению прилегающей территории, а на
берегах рек образуются навалы льда высотой до 10... 15 м.
Наиболее часто встречаются заторы торошения. Они
формируются при интенсивном подъеме уровня воды, когда вслед за
образованием трещин вдоль берегов ледяной покров разламывается на
отдельные поля и льдины. В результате столкновения происходит на-
ползание одних льдин на другие, их сжатие и торошение.
На участках зарегулированных рек, а также со значительным
разрушением ледяного покрова при скоростях течения более 1 м/с
образуются заторы подныривания. При этом льдины увлекаются под
кромку и перемещаются под ледяным покровом до участка с
пониженными скоростями течения, где они задерживаются и забивают
водное сечение реки.
Поверхность затора торосистая. Высота торосов может достигать
йескольких метров. Ниже затора естественный ледяной покров, как
правило, сохраняется, выше — отсутствует.
В период образования и стабилизации затора (2...8 сут) выше по
течению обычно происходит ледоход. Потеря устойчивости и прорыв
затора происходит под влиянием напора воды и повышения
температуры воздуха. При прорыве скорость движения заторов
составляет 2...5 м/с, толщина движущегося скопления льда - 3...6 м, водная
поверхность полностью покрывается льдом. Водный поток ниже
прорвавшегося затора может выйти за пределы русла и затопить
прилегающие участки местности, оставляя на берегах рек навалы
льда высотой более 3 м.
149

Зажоры на реках образуются в период формирования ледяного
покрова. Необходимым условием образования зажоров является
возникновение в русле реки внутриводного льда и его вовлечение
под кромку ледяного покрова на участках с повышенными уклонами
водной поверхности со скоростями более 0,4 м/с.
Образование зажоров в значительной степени способствуют
различные русловые препятствия: острова, отмели, валуны, крутые
повороты, сужения русла, а также участки в нижних бьефах ГЭС,
на которых под влиянием суточного колебания уровня воды
происходит непрерывный процесс образования внутриводного льда и
разрушения ледяного покрова.
Скопление шуги и льда вызывает стеснение водного сечения,
поэтому происходит подъем уровня воды выше по течению, ниже —
уровни понижаются. Образование сплошного ледяного покрова в
месте образования зажора задерживается. Подъем уровня воды при
зажоре меньше, чем при заторе, поскольку зажоры образуются в
период малой водности.
Колебания расходов воды и параметров погодных условий в
процессе формирования зажора приводят к уменьшению его
устойчивости. Так, при понижении температуры воздуха зажор
усиливается, при повышении — размывается.
Распространение заторов и зажоров наиболее характерно для
рек, текущих с юга на север, верховья которых расположены в
горах и предгорьях, а также для рек, имеющих длительный (более 6
сут) и интенсивный шугоход. Такой шугоход, как правило,
происходит на реках с большой осенней водностью, когда замерзание
прерывается оттепелями.
Основными характеристиками заторов и зажоров являются
максимальные подъемы уровней воды. По их значениям на
топографических картах определяют зону затопления и ее глубину.
Ориентировочно заторные (зажорные) подъемы уровней воды на территории
России определяют по картам.
Максимальный заторный (зажорный) уровень воды и макси-"
мальный подъем уровня на заторном (зажорном) участках
определяют по хронологическому графику, а при отсутствии
метеорологических данных — расчетным путем. Совмещенные хронологические
графики расходов и уровней воды и ледовых явлений приведены на
рис. 9.1.
В заторном скоплении льда обычно выделяется три характерных
участка:
150

замок затора — покрытый трещинами ледяной покров или
перемычка из ледяных полей, заклинивших русло;
голова затора (собственно затор) — многослойное скопление
хаотически расположенных льдин, подвергшихся интенсивному
торошению;
хвост затора - примыкающее к затору однослойное скопление
льдин в зоне подпора.
Длина головной части затора обычно превышает ширину реки в
3...5 раз. На этом участке скопление льда имеет наибольшую
толщину. На крупных реках длина хвоста затора может достигать
нескольких десятков километров, на средних реках — от одного до
нескольких километров.
Заторные участки льда располагаются непосредственно у кромки
ледяного покрова и под ним. Здесь они также имеют наибольшую
толщину. Длина зажорного участка Ьзж = 3...6 Вр, где £р -
ширина реки.
Н , алс
Рис. 9.1. Совмещенные
хронологические графики расходов и
уровней воды и ледовых явлений:
1 ~ уровни воды; 2 - расходы воды;
3 — уровни, соответствующие
расходам воды для открытого русла; 4 —
линия графической срезки
подпорного уровня; 5 — ледяной покров; 6 —
затор льда; 7 — разрушение затора
Рис. 9.2. График дня
определения скорости нарастания льда
(А/г) в зависимости от средней
за сутки температуры воздуха
lte °c\ и толптины ледяного
покрова (Н) при отсутствии течения
151

9.2. Прогнозирование заторов и зажоров
Целью прогнозирования заторов (зажоров) является определение
максимального заторного (зажорного) уровня воды и даты его
наступления.
Предварительная стадия прогнозирования включает оценку
возможности образования затора (зажора). Для этого по картам
определяют затороопасные (зажороопасные) участки, ориентировочные
величины подъемов заторных (зажорных) уровней воды и
повторяемость заторов (зажоров).
Прогноз максимальных заторных уровней воды и другие
необходимые сведения запрашиваются в территориальных управлениях
гидрометеослужбы и контроля природной среды (УГКС).
Для определения возможностей преодоления водной преграды на
затороопасных участках организуются аэровизуальные и наземные
наблюдения. По величинам максимальных заторных (зажорных)
уровней воды определяют возможную зону затопления, которую
наносят на топографическую карту. Прогнозирование заторов
(зажоров) льда может осуществляться как при наличии данных
гидрометеорологических наблюдений, так и при их отсутствии.
Для прогнозирования максимального заторного уровня воды по
данным метеорологических наблюдений необходимо знать расход
воды, температуру воздуха и сведения о ледовой обстановке. По
этим данным строят совмещенные хронологические графики
расходов и уровней воды (см.рис.9.1) для ряда гидрологических постов,
позволяющие иметь сведения о ледовых фазах при наличии и
отсутствии ледовых явлений. По материалам ледомерных съемок,
которые производятся либо механическим бурением, либо с помощью
радиолокационных приборов типа "Лед", "Ледостав" и т.п. строят
продольные профили ледяного покрова. По этим же данным
составляют схемы ледовой обстановки на главной реке и ее протоках. В
результате анализа колебаний уровней воды устанавливают места и
сроки образования заторов и зажоров, а также определяют уровни
подъема воды. Данные о максимальных уровнях воды составляют
по результатам многолетних наблюдений за максимальными
расходами и уровнями воды при заторах (зажорах).
При отсутствии данных гидрометеорологических наблюдений
исходными данными являются: уровни и расходы воды; уклоны
водной поверхности; глубина и скорости течения, а также ширина
открытого русла. Уклон, глубину и ширину русла определяют
промерами и нивелировкой урезов воды и берегов. Скорость течения
152

можно измерить или рассчитать, а расход воды определить по
формуле
Q = Vco, (9.1)
где V — средняя скорость течения в створе, м/с; со— площадь
поперечного сечения русла, м2.
Средняя скорость течения в створе может быть вычислена по
формуле
где п — коэффициент шероховатости; h — средняя глубина русла, м;
J— уклон водной поверхности.
Для проведения измерений необходимо организовать временные
водомерные посты. Время перемещения кромки ледяного покрова
определяют по средним многолетним данным вскрытия, сведения о
которых имеются в справочнике "Основные гидрологические
характеристики". Для прогноза используют зависимости максимального
заторного (зажорного) уровня воды от расхода воды у кромки
ледяного покрова и средней температуры воздуха.
Заблаговременность прогноза для узких горных рек может
составлять всего несколько часов, по мере увеличения длины реки и
уменьшения уклона — до нескольких суток, а на крупных долинных
реках - 15... 20 сут.
9.3. Преодоление заторных участков
Борьба с заторами (зажорами) заключается в предотвращении
их образования или ликвидации уже образовавшихся заторов
(зажоров).
., Образование заторов предотвращают предварительным
вскрытием реки. Ускорение вскрытия участка реки достигается
ослаблением ледяного покрова, задержка вскрытия — упрочнением льда. В
результате ослабления или нарушения сплошности ледяного покрова
снижается его сопротивляемость водному потоку, поэтому
обеспечивается беззаторный пропуск льда. Основные способы ослабления и
разрушения ледяного покрова изложены выше.
Задержку вскрытия производят искусственным увеличением
толщины ледяного покрова. Длина участка увеличения толщины льда
зависит от ширины русла Вр и может составлять от Ьл -ЪВр на
сильно извилистом русле, до Ьл = 8Вр на прямолинейном участке.
Толщину льда на выбранном участке увеличивают удалением
снега цли искусственным намораживанием. При толщине снега
более 10 см его удаление приводит к ускоренному нарастанию толщи-
153

ны льда снизу. Скорость нарастания толщины льда можно
определить по графику на рис. 9.2.
Снег с ледяного покрова следует удалять за пределы участка при
температуре воздуха ниже минус 10°С и толщине льда менее 30 см.
При ликвидации заторов наиболее эффективным является
взрывной способ, применение которого наиболее целесообразно в
период образования заторов. Затор на широких реках разрушают,
дробя его постепенно снизу вверх по течению, начиная с подрыва
ледяных полей ниже затора (рис. 9.3).
Массы подводных зарядов и расстояния между ними указаны в
табл. 9.1, 9.2.
Таблица 9.1. Условия и средства разрушения
ледяного покрова
Толщина
льда, м
0,4...0,5
0,6...0,7
0,8...0,9
| 1,0...1,1
Масса
заряда,
кг
1,2
1,8
2,6
3,6
Глубина
погружения
заряда, м
1,0...1,5
1,5...2,0
2,0
2,0

Расстояние меж^
ду
зарядами, м
5...7
4...6
4...6
4,0

Количество рядов
зарядов
1
3
3
3
Расстояние
\ ■
между
рядами
зарядов, м
-
10
5...10
5,0
Таблица 9.2. Ориентировочная масса, кг, сосредоточенного
заряда для разрушения затора при расстоянии L
между зарядами
Глубина погружения
заряда в воду, м
| 1,0...1,49
1,5...1,99
2,0...2,49
2,5...2,99
3,0...3,49
3,4...4,0
При массовом
взрыве и L = 5 м
3
3
15
25
40
60
При одиночном или
массовом взрывах и L = 10 м.
15
40
80
130
200 j
300
154

Рис. 9.3. Схема расположения зарядов
для ликвидации затора: 1 — ледоход или
открытое русло; 2 — заторный участок; 3 —
сплошной ледяной покров; 4 — заряды,
расположенные вдоль берега; 5 — заряды,
расположенные в рядах по поперечным створам;
6 — заряды, расположенные в середине реки
для создания канала в заторе; 7 — заряды,
расположенные вдоль берега в уплотненной
части затора
\ :1«в 0 « • О 0 9 О в 9
noeaioet
Рис. 9.4. Схема расположения
зарядов для устройства канала во льду:
1...111 — продольные ряды зарядов выше
моста; 1...5 — поперечные ряды зарядов
ниже моста; 6 — борозда; 7 — ледорезы;
Вр — ширина реки
Если затор не потерял устойчивости после разрушения ледяного
поля, то необходимо произвести еще серию взрывов вдоль берегов,
либо на середине реки (в пределах нижней наиболее уплотненной
части затора). Если и после этого затор останется на месте, следует
произвести серию взрывов вдоль затора.
На средних реках подрывать лед необходимо сверху вниз по
течению или одновременно по длине затора, так как это способствует
образованию в заторе канала, по которому идет основной поток
воды, при этом заторный уровень понижается, а сам затор
размывается.
При большой протяженности затора на узких и средних реках с
извилистым руслом подрыв заторных масс в нижней части
малоэффективен, поэтому взрывы следует вести одновременно по всей
длине затора или сверху вниз по течению.
Для разрушения многослойных заторных масс используют заряды
массой не менее 30 кг, которые опускают в воду между льдинами.
При проведении взрывных работ можно применять вертолеты,
которые позволяют укладывать заряды в любом месте
непосредственно с борта вертолета или с выходом подрывников на лед.
Бомбометание, как средство для разрушения ледяного покрова и
заторов, малоэффективно вследствие трудностей прицельного
попадания.
Для предотвращения заторов вблизи мостов необходимо еще до
начала ледохода освободить от примерзшего льда все опоры и
ледорезы, сделав вокруг них борозды во льду шириной не менее 0,5 м.
Кроме того, следует устроить вдоль реки (по фарватеру) канал ши-
155

риной от 0,25Вр до 0,35Вр и длиной не менее ЗВр (ниже моста на
расстоянии Вр и выше моста на расстоянии 2Вр).
Устройство канала начинают с низовой стороны моста. Заряды
располагают параллельными рядами перпендикулярно фарватеру.
Расстояния между зарядами принимают не менее 5...6 Н (где Я —
глубина погружения заряда в воду), между рядами — не менее
2...4 м. Заряды взрывают поочередно рядами, начиная с ряда,
ближайшего к борозде, предварительно устраиваемой по низовой
границе канала.
При устройстве канала выше моста ряды зарядов располагают
параллельно фарватеру против опор и ледорезов. Взрывать заряды
ближе 15 м от моста запрещается. Схема располоясения зарядов для
устройства канала приведена на рис. 9.4.
Если на некотором удалении от моста образовался затор, его
разрушают взрывами зарядов с низовой стороны для устройства в
нем канала шириной 20...30 м. Массу зарядов принимают равной
5...20 кг. Заряды в заторе располагают в 2...3 ряда
перпендикулярно оси устраиваемого канала и на расстоянии, в 4...6 раз
превышающем их заглубление. При установке в затор нескольких зарядов
их подрыв следует производить одновременно для того, чтобы лед,
пришедший в движение после первого взрыва, не принес к мосту
невзорвавшиеся заряды. В затор, образовавшийся непосредственно
около моста, следует устанавливать только по одному заряду.
Крупные льдины при подходе к мосту разрушают бросаемыми на них
зарядами массой не более 3 кг. Эти заряды должны взрываться до
подхода льдин под мост.
Работы по разрушению заторов должны вестись ускоренными
темпами. При подрывах необходимо следить, чтобы вместе с
тронувшимся льдом не унесло работающий личный состав. Ходить по
затору и по непрочному льду следует с палками для прощупывания
льда. В наиболее опасных местах прокладывают доски, обвязывают
веревками подрывников, которых страхуют люди на берегу или на
прочном льду. Ниже затора должны находиться дежурные расчеты
на лодках со спасательными средствами (спасательные круги,
веревки, доски, багры и др.)- Задачей этих расчетов является
оказание помощи утопающим и наблюдение за прохождением льда вниз
по течению.
Подрыв зарядов может быть прекращен, если будет заметно
падение уровня воды с верховой стороны затора или напор льда
перестанет угрожать мосту.
156

Глава 10. Пожары
10. L Классификация пожаров
Пожар — стихийно развивающееся горение, не предусмотренное
технологическими процессами. С точки зрения производства работ,
связанных с локализацией, тушением пожара, спасением дюдей и
материальных ценностей, классификация пожаров проводится по
трем основным зонам: зона отдельных пожаров, зона массовых и
сплошных пожаров и зона пожаров и тления в завалах. Пожары
могут быть лесные, торфяные, степные (полевые), в населенных
пунктах и городах, газовые, газонефтяные и нефтепродуктов.
Зона отдельных пожаров представляет собой район, на
территории которого пожары возникают на отдельных участках, в
отдельных зонах, зданиях и производственных сооружениях. Такие
пожары рассредоточены по району, поэтому есть возможность быстрой
Организации их массового тушения с привлечением всех имеющихся
сил и средств.
Зона массовых и сплошных пожаров — территория, где возникло
так много загораний и пожаров, что невозможен проход или
нахождение в ней соответствующих подразделений (формирований) без
проведения мероприятий по локализации или тушению; ведение
спасательных работ практически исключено. Возникновение таких
зон возможно при наличии определенных условий: сплошной
застройки лесного массива, большого количества горючих материалов
и др.
Особая форма сплошного пожара — огненный шторм. Он
характеризуется наличием возможных потоков, возникших в результате
горения большого количества материалов и образовавших
конвекционный поток (столб), к которому устремляются воздушные массы
со скоростью более 15 м/с. Образование огненного шторма
возможно при следующих условиях: наличии застройки или растекании
горючих жидкостей на площади не менее 100 га; относительной
влажности воздуха менее 30%; наличии определенного количества
сгораемых материалов на соответствующей площади, в пересчете на
древесину около 200 кг/м2 на площади 1 км2.
Зона пожаров и тления в завалах характеризуется сильным
задымлением и продолжительным (свыше 2 суток) горением в зава-
157

лах. Применение соответствующих подразделений (формирований)
ограничивается опасностью для жизни людей в связи с тепловой
радиацией и выделением токсических продуктов сгорания.
Опасным задымлением на открытой местности считается такое,
при котором видимость не превышает 10 м. Концентрация оксида
углерода в воздухе около 0,2% вызывает смертельные отравления в
течение 30... 60 мин, а0,5...0,7% — в течение нескольких минут.
Причиной гибели людей может быть общее повышение
температуры задымленной среды. Вдыхание продуктов сгорания, нагретых
до 60°С, даже при 0,1% содержания оксида углерода в воздухе, как
правило, приводит к смертельным случаям.
Лесные пожары представляют собой неуправляемое горение
растительности, распространяющееся по территории леса. В
зависимости от того, в каких элементах леса распространяется огонь, пожары
подразделяются на низовые, верховые и подземные (почвенные).
Низовые лесные пожары развиваются при сгорании хвойного
подлеска, мертвого надпочвенного покрова (опавшие хвоя, листья.*
кора, а также, валежник, пни) и живого надпочвенного покровау
(мхи, лишайники, трава, кустарники). Фронт низового пожару,
продвигается при сильном ветре со скоростью до 1 км/ч, высота
пламени достигает 1,5...2 м.
Низовые лесные пожары могут быть беглыми и устойчивыми.
Беглые пожары характеризуются быстро продвигающейся кромкой
пламени и дымом светло—серого цвета, при этом быстро сгорает
опад, подрост, подлесок. Устойчивые низовые пожары
распространяются медленно, отличаются они полным сгоранием живого и
мертвого надпочвенного покрова.
Верховые лесные пожары характеризуются сгоранием
надпочвенного покрова и полосы древостоя. Скорость их распространения'
достигает 25 км/ч. Развиваются они обычно из низовых пожаров в
густых хвойных лесах, когда засуха сочетается с ветром. Верховые-
пожары, как и низовые, также могут быть беглыми и устойчивыми.
При устойчивых верховых пожарах огонь движется сплошной сте-с
ной от надпочвенного покрова до крон деревьев со скоростью до
8 км/ч. При таких пожарах образуется большая масса искр и вос-г.
пламененного материала, летящих перед фронтом огня. Для беглых
верховых пожаров характерен отрыв горения по пологу от кромки
низового пожара, при этом огонь распространяется со скоростью до
25 км/ч.
Подземные (почвенные) лесные пожары являются дальнейшей
стадией развития низового пожара. Такие пожары возникают на
158

участках с мощным слоем подстилки (более 20 см) или с
торфяными почвами. Огонь распространяется в почву обычно у стволов
деревьев. Горение происходит медленно, беспламенно. При сгорании
корней деревья беспорядочно падают, образуя завалы.
Торфяные пожары — это подземные пожары. Они охватывают
огромные площади. Торф горит медленно, на всю глубину
залегания; в выгоревшие места проваливается почва, техника, люди,
дома.
Степные (полевые) пожары возникают на открытой степной
местности с сухой растительностью. При сильном ветре фронт огня
перемещается со скоростью до 25 км/ч. Если горит хлеб, то огонь
распространяется медленно.
В городах и населенных пунктах возможны отдельные пожары,
когда загорается один дом или группа зданий, массовые пожары —
загорается более 25% зданий и сплошные — загорается более 90%
зданий. Распространение пожаров в городах и населенных пунктах
зависит от огнестойкости зданий и сооружений и плотности
застройки, характера местности и условий погоды. Например, большую
пожарную опасность представляют населенные пункты с
деревянными застройками. Недостаточные разрывы между зданиями или
сооружениями способствуют быстрому распространению огня на
соседние постройки.
10.2. Пожары газовые, нефтяные,
газонефтяные и нефтепродуктов
В процессе эксплуатации скважин для добычи нефти или газа
могут возникнуть открытые фонтаны, которые нередко
сопровождаются пожарами. Условно фонтаны подразделяют на газовые
(содержание газа 95...100%), нефтяные (содержание нефти более
50%, а газа менее 50%), газонефтяные (содержание газа более
50%, а нефти менее 50%).
В зависимости от состояния устья скважины и формы факела,
пожары газовых и нефтяных фонтанов делятся на компактные,
когда оборудование на устье скважины не препятствует свободному
выходу нефти и газа, а факел пламени располагается компактно в
вертикальной или горизонтальной плоскости, и распыленные, когда
оборудование и арматура на устье скважины рассеивают нефть или
газ и пламя располагается на нескольких струях, образуя
рассеянный факел.
К особому виду пожаров газовых, нефтяных или газонефтяных
относятся такие, у которых горящий факел с большой поверхностью
159

горения располагается над кратером, образующимся вокруг устья
скважины. При этом все оборудование и арматура вместе с грунтом
проваливается в кратер, который достигает нескольких десятков
метров в диаметре.
Горение нефти и нефтепродуктов может происходить в
резервуарах, производственной аппаратуре и при разливе на открытых
площадках. При пожаре нефтепродуктов в резервуарах могут возникать
взрывы, вскипание и их выброс, а в результате — разливы горящей
жидкости. На характер развития пожаров большое влияние
оказывают поведение и изменение состояния конструкций резервуаров.
Большую опасность представляют выбросы и вскипание
нефтепродуктов, что связано с наличием воды в них, и характеризуется
бурным горением вспенившейся массы продуктов. При вскипании
резко увеличиваются температура (до 1500°С) и высота пламени.
При горении большинства жидкостей высота пламени
ориентировочно равна полутора-двум диаметрам резервуара.
Возможен выброс нефтепродуктов из резервуаров. Тысячи тонн
нефтепродуктов могут быть выброшены на расстояние свыше
восьми диаметров емкости, при этом площадь горения составляет
несколько тысяч квадратных метров.
70.5. Основы тушения пожаров
Все пожары, независимо от их места и размеров, возникают и
развиваются по одной общей закономерности. Они делятся на три
фазы.
Первая фаза — распространение пламени до охвата большей
части горючих материалов. Эта фаза характеризуется вначале
сравнительно небольшой температурой и скоростью распространения
пламени. В конце первой фазы наступает наиболее опасный период
пожара, так как пламя достигает максимальных размеров, создается
возможность его распространения на соседние объекты или слияния
отдельных пожаров в один столб пламени. Скорость горения при
этом относительно постоянна в течение продолжительного времени.
На распространение пожара влияют внешние факторы:
метеорологические условия и турбулентный обмен с вышерасположенными
слоями атмосферы.
Вторая фаза — установившееся горение до момента разрушения
материалов и обрушения конструкций.
Третья фаза — выгорание материалов и обрушенных
конструкций. Скорость горения в этот период невелика и тепловая радиация
значительно снижается.
160

Известно, что пожар сопровождается химическими и
физическими явлениями: химической радиацией горения, выделением и
распространением продуктов сгорания, газовым обменом.
Определяющим явлением при пожаре является горение веществ и материалов.
Горение может быть прекращено следующими способами:
охлажденной водой, специальными растворами, углекислотой и
другими огнетушащими веществами, которые отнимают часть тепла,
идущего на поддержание горения; '
разбавлением реагирующих в процессе горения веществ водным
паром, углекислым газом, азотом и другими газами, не
поддерживающими горение;
изоляцией зоны горения пенами, порошками, грунтом и т.п.,
прекращающими поступление горючих веществ или воздуха в зону
горения;
химическим торможением реакции горения специальными
веществами.
Выбор способов и приемов прекращения горения зависит от
условий и обстановки на пожаре, а также от наличия специальных
подразделений (формирований) и технических средств, которые
можно использовать для тушения. На основе анализа
закономерностей развития процессов горения целесообразно применять
соответствующие способы тушения. Например, открытые пожары тушатся
способом охлаждения или изоляции, а горение нефтепродуктов в
резервуарах — способом изоляции.
Обстановка на пожарах в населенных пунктах, в основном,
зависит от конструктивных особенностей и объемно—планировочного
решения зданий или сооружений, степени возгораемости и
огнестойкости конструкций, свойств горючей загрузки.
Необходимо знать, что при пожарах в зданиях и сооружениях
быстро повышается температура, помещения задымлены, огонь
распространяется скрытыми путями, конструкции теряют несущую
способность. Как правило, сильное пламя из оконных и других
проемов свидетельствует о большой скорости горения или большом
количестве сгораемого материала; большое количество густого дыма —
признак горения при недостатке кислорода. При этом признаками
возможного разрушения отдельных конструкций могут быть:
отслаивание защитного слоя бетона, деформация арматуры
железобетонных колонн, образование трещин в пролетах и у опор
железобетонных балок, прогиб и характерный треск деревянных балок.
Возможные способы тушения пожаров в населенных пунктах
заключаются в следующем. Первичный очаг загорания тушат огнету-
6—1087
161

шителем, засыпают песком или применяют другие подручные
средства. Отдельные очаги горения, не представляющие опасности для
распространения огня, оставляют для догорания горючего
материала.
При тушении крупных и массовых пожаров территория
разбивается на отдельные участки. Границы участков определяются с
учетом удобства руководства подразделениями (формированиями).
Они могут проходить по этажам, периметру зданий, отдельным
зонам пожара.
Вскрытие и разборка конструкций зданий производится для
обеспечения работ по спасению людей и эвакуации имущества,
обнаружения скрытых очагов горения, создания условий наиболее
эффективного применения огнегасительных веществ, удаления дыма и
газов, ликвидации угрозы обрушения, проникновения к очагу
пожара или внутрь помещений и создания разрывов, предотвращения
распространения огня. При этом вскрытие и разборка конструкций
производится только в размерах, необходимых для полного
выполнения намеченных работ.
При создании противопожарных разрывов работы по разборке
конструкций должны быть закончены до подхода огня к месту
создаваемого разрыва. Разборка конструкций проводится таким
образом, чтобы не ослаблялись несущие конструкции и не вызывалось и
обрушение, не повреждались газопроводы, теплофикационные и
электрические сети. Снятие напряжения с электропроводов
производится при их горении, повреждении, когда они опасны для
работающих или мешают работам по тушению пожара.
Ликвидация лесного пожара складывается из остановки и
локализации пожара, окончательной ликвидации очагов горения и
охраны района пожарища (табл. 10.1) с целью предотвращения нового
возгорания.
При тушении лесных пожаров применяют следующие приемы:
окружение пожара или охват его с фронта или с тыла;
устройство заградительных и минерализованных полос и канав
на пути распространения огня;
отжиг (пуск встречного низового огня) от опорной полосы.
Полное окружение кромки пожара применяют при наличии
достаточных сил и средств. При охвате пожара с фронта вначале
тушится кромка пожара с фронта, а затем переходят на фланги.
Иногда начинают тушить пожар охватом с тыла, постепенно
продвигаясь к фронту.
162

Таблица 10.1. Оценочные данные по темпам выполнения
инженерных работ, ед.объема/сутки,
при ликвидации последствий пожаров
Работы[
Инженерная разведка:
местности, км2
дорог, км
водоемов, ед.
Эвакуация населения, тыс.чел.
Проделывание проходов:
Разработка завалов, км
Вывоз обломков, м3
Устройство колонных путей (дорог), км
Обеспечение работ водой, м3/сутки
Устройство минерализованных полос, км
Устройство траншей, км
Устройство противопожарных разрывов, км
Устройство рвов взрывным способом, км
Создание противопожарных полос, км
Устройство просек, км
Обрушение зданий, конструкций:
взрывным способом, ед.
с применением техники, ед.
Устройство грунтовых валов для
локализации разлива опасных жидкостей, м3
Дегазация местности инженерными
средствами:
снятие слоя грунта (20 см), км2
вывоз зараженного грунта, м3
оборудование могильников, м
Лесные 1
2...5
20...40
3...5
2...5
10...12
0,1...0,5
-
20...50
до 103
10...20
10...20
30...60
10...20
3...6
, 10...20
—
—
—
—
—
—

Промышленные
1,0...2,0
20,0...40,0
3...5
до 20...30
2...5
0,1...0,2
до 104
до 20
до 103
10...20
10...20
—
10...20
—
—
3...6
2...3
до' 103
до 0,1
до 103
1 до 103
Устройство заградительных полос включает удаление лесных
насаждений и горючих материалов, находящихся на поверхности
земли. При создании минерализованной полосы удаляют всю
растительность и подстилку до минерального слоя грунта. При слабом
ветре ширина заградительной полосы должно быть равна не менее
двойной высоты пламени огня, а при сильном ветре — не менее 100
м.
6*
163

Отжиг как способ тушения лесных пожаров применим при
локализации и тушении верховых и низовых пожаров. В качестве
опорной полосы используют полосу местности, которую очищают от
горючих материалов, а также реки, озера, дороги и т.п. При выборе
рубежа опорной полосы учитывают направление движения огня,
расстояние до его кромки, характер древостоя и надпочвенного
покрова, наличие сил и средств для тушения пожаров. Опорная
полоса должна быть шириной не менее 30 м. Убираемый с опорной
полосы валежник, деревья, кустарник, сухую траву складывают вдоль
полосы на стороне, обращенной к пожару. Когда начнет оп1ущаться
тяга воздуха в сторону пожара, заготовленные здесь горючие
материалы поджигаются по всей кромке опорной полосы. Огонь отжига,
пущенный навстречу лесному пожару, создает широкую выжженную
полосу, которая останавливает его распространение. Ширина
выжженной полосы перед фронтом интенсивного низового пожара
должна быть не менее 10 м, а перед верховым — 50 м.
Ориентировочные характеристики работ при борьбе с лесными
пожарами приведены в табл. 10.2.
Тушение торфяных подземных пожаров чрезвычайно сложно.
Сложность заключается в том, что торф горит во всех направлениях
ветра. Поэтому основной способ тушения такого пожара -
окапывание горящей территории со всех сторон оградительными канавами
шириной не менее 0,7 м и глубиной до минерального грунта или
грунтовых вод.
Степные и полевые пожары тушат захлестыванием кромки огня
метлами, заливом водой. Степные пожары распространяются очень
быстро (до 25 км/ч), поэтому для их тушения требуется большое
число людей.
Степные пожары тушат локализацией, устраивая на пути
движения огня заградительные полосы шириной до 20 м. Кромки
заградительной полосы опахивают плугами или бульдозерами, снимают
верхний слой грунта, а середину выжигают.
Тушение пожаров газовых, газонефтяных или нефтяных
фонтанов условно делится на два этапа: период подготовки и период
проведения атаки.
В период подготовки расчищают устья скважины в радиусе не
менее 50 м создают необходимые запасы воды или других огнету-
шащих средств, проводят расстановку сил и технических средств
тушения на исходных позициях, устраивают подступы и дороги к
горящему фонтану. Запасы воды создают с помощью вновь
отрываемых котлованов.
164

Таблица 10.2. Характеристики работ при локализации
лесных пожаров и потребности в силах и средствах на их
выполнение
Работа [
Устройство 1 км минера- 1
лизованных и
(заградительных) полос:
в лесу
на открытой местности
в мелколесье
| Расширение 1 км
противопожарных полос:
разрыв в лесу до 50 м
то же, в мелколесье
Отрывка 1 км траншей
(канав) после прохода
путепрокладчика
Устройство 0,1 км
заградительного рва взрывным
способом
Уегройство 0,1 км
просеки в лесу с раскряжевкой
и складированием леса
Тушение 1 га низового
пожара присыпкой
грунта вручную
Создание 0,1 км
противопожарной полосы
вручную в мелколесье
Тушение кромки огня
низового пожара шири-
1 ной 0,1 км водой
Характеристика 1
ширина 8 м
ширина 4 м
ширина 8 м
10...50 м
10...50 м
глуоина 1,5 м
глубина 1,5...3
м, ширина по
верху 5...10 м
ширина 20 м
—
ширина 25...30 м
—
чел.-час 1
10
1,0
8,0
50 1
25
2,0
200
100
20
20
2
маш.-час
(техника)
8,0 (БАТ)*
0,25 (БАТ)
0,0 (БАТ)
40,0 (БАТ)
20,0 (БАТ)
3,0
(БТМ)**
600...800 кг
ВВ
4 мотопилы
—
—
2
* БАТ — бульдозер на артиллерийском тягаче
** БТМ — быстроходная траншейная машина
Тушение пожаров газовых, газонефтяных и нефтяных фонтанов
заключается в установке на устье скважины специальных устройств,
которые могут регулировать по направлениям (разводить фонтан на
165

два-три направления) или перекрывать полностью подачу нефти и
газа. Все работы по борьбе с пожарами газовых, газонефтяных и
нефтяных фонтанов ведутся специализированными подразделениями
пожаротушения, имеющими специальную технику.
При организации тушения любых пожаров необходимо провести
разведку, оценить обстановку и выработать план тушения пожара.
Для проведения пожарной разведки назначаются и готовятся
пожарные разведгруппы. Они, как правило, состоят из одного-двух
отделений по 6...8 человек на машинах повышенной проходимости
и ведут разведку непрерывно до полного завершения работ.
Задачи пожарных разведгрупп:
определять местонахождение людей, устанавливать степень
опасности для их жизни и выявлять пожарную обстановку в местах
ведения спасательных работ;
устанавливать пути распространения пожара;
определять рубежи безопасности, локализации пожара, ввода
подразделений (формирований) для его тушения, пути и способы
эвакуации людей и материальных средств;
уточнять необходимую потребность в силах и технических
средствах для тушения пожара;
устанавливать степень опасности распространения пожара,
возможность взрывов и разрушений.
Оценка обстановки включает: определение характера пожара,
времени и продолжительности, наличия и потребности огнеопасных
средств, потребности и возможности по привлекаемым к тушению
силам и техническим средствам, установление направлений действий
как в начальный момент, так и с учетом возможного изменения
обстановки.
При этом учитывается размер, вид, место, интенсивность
горения, огнестойкость горючих материалов, а также все те условия,
которые могут затруднять действия личного состава и способность к
быстрому распространению огня.
К условиям, затрудняющим действия личного состава, относятся
задымление помещений, действие теплового излучения, загромож-
денность проходов и выходов, наличие необеспеченных
электроприборов и проводов, горение растекающихся жидкостей, взрывы,
отсутствие подъездов к источникам водоснабжения и т.п.
Условия, способствующие быстрому распространению огня,
включают: наличие ветра, скопление сгораемого имущества и
материалов, наличие и возможность взрывов паро-, газо-, пылевоздуш-
ных смесей, отсутствие достаточных разрывов между горючими ма-
166

териалами, деформация и обрушение отдельных конструктивных
элементов сооружений и т.п.
Решение о способах тушения пожаров принимают на основании
данных разведки, оценки сложившейся обстановки и учета
имеющихся сил и технических средств. Решение должно включать: выбор
средств, способов и приемов тушения; перечень задач, на решение
которых необходимо сосредоточить основные усилия и остальные
задачи; выделяемые силы и средства на каждом направлении;
последовательность выполнения задач; возможный маневр силами и
средствами; определение конкретных задач подразделениям
(формированиям) и вопросы их взаимодействия; организацию связи
и управления; меры безопасности.
При принятии решения учитываются следующие обстоятельства:
если огонь угрожает жизни людей, то основные усилия
сосредоточиваются на обеспечении их безопасности и спасения;
если в зоне горения находятся взрывчатые вещества и
материалы, то основные силы и средства сосредоточиваются на
мероприятиях по предупреждению взрыва; затем все силы и средства
переносятся на локализацию пожара с целью препятствия
распространению огня; если для тушения пожара имеющихся в наличии сил и
средств недостаточно, то до прибытия дополнительных все усилия
направляются на сдерживание дальнейшего распространения огня.

Глава 11. Аварии на АЭС и предприятиях
ЯТЦ
ILL Характеристики АЭС и предприятий ЯТЦ
Ядерным топливным циклом (ЯТЦ) принято называть
последовательно повторяющийся комплекс производственных процессов,
конечной целью которых является получение электричестве или
тепла на основе использования ядерной энергии. Ядерная энергия
основана на использовании трех делящихся радионуклидов: уран U-
235 - естественный радионуклид, два других - плутоний Ри-239 и
уран U-233 получают искусственным путем в процессе ЯТЦ.
Атомная электростанция является составным элементом ЯТЦ. Схема
типичного открытого и замкнутого ЯТЦ для АЭС на тепловых
нейтронах, а также значимые для цикла факторы воздействия на
окружающую среду представлены на рис. 11.1.
Основным элементом АЭС является ядерный реактор. Ядерные
реакторы классифицируют по различным признакам: физическим,
конструкционным, по составу и размещению ядерного горючего, по
типу замедлителя нейтронов и теплоносителя, по назначению и др.
Принципиальные схемы устройства большинства реакторов во
многом одинаковы. Любой ядерный реактор состоит из нескольких
зон, различных по назначению. В активной зоне происходят деление
ядер горючего, отбор теплоты от тепловыделяющих элементов
(ТВЭЛов) путем циркуляции теплоносителя через активную зону.
Управление мощностью реактора осуществляется регулирующими
стержнями системы управления и защиты (СУЗ) реактора.
Активная зона окружается отражателем нейтронов и размещается в
корпусе реактора, защищенном бетонной биологической защитой.
Между корпусом и биологической защитой часто устраивают слой
радиационной тепловой защиты.
Ядерное топливо может быть использовано в твердом или
жидком виде. В гетерогенных реакторах твердое топливо помещено в
защитную оболочку, предохраняющую от взаимодействия с
теплоносителем. В гомогенных реакторах топливо равномерно перемешано
с теплоносителем.
Теплоноситель может под давлением закачиваться независимо
через каждый рабочий канал (реактор канального типа) или через
168

всю активную зону, где его давление воспринимается корпусом
реактора (реактор корпусного типа).
Рис. 11.1. Принципиальные технологические схемы атомных
электростанций: а - одноконтурная; б - двухконтурная АЭС или АТЭЦ; в - не полностью
двухконтурная АЭС; г - трехконтурная АЭС; д - трехконтурная ACT; 1 - реактор; 2
- первичная биологическая защита; 3 - вторичная биологическая защита; 4 -
регулятор давления в контуре; 5 - турбина; б - электрогенератор; 7 - конденсатор или
газоохладитель; 8 - насос или компрессор; 9 - емкость для пополнения
теплоносителя рабочего тела; 10 - регенеративный подогреватель; 11 - циркуляционный
насос; 12 - парогенератор; 13 - промежуточный теплообменник; 14 - сетевой
теплообменник; 15 - сетевой насос; 16 - встроенный в корпус реактора
промежуточный теплообменник; 17 - фильтр спецводоочистки
Реактор с водяными теплоносителем и замедлителем называют
водо-водяным реактором (ВВР), а с водяным теплоносителем и
графитовым замедлителем - водо-графитовым реактором (ВГР).
Реакторы на быстрых нейтронах, обеспечивающие
воспроизводство ядерного топлива, называют реакторами-размножителями
(бридерами).
По назначению принято различать следующие реакторы: для
исследовательских целей; для производства искусственных изотопов;
для производства электрической и тепловой энергии (энергетические
реакторы) на АЭС, в атомных станциях теплоснабжения (ACT),
атомных теплоэлектроцентралях (АТЭЦ); для металлургии и
химической технологии; для транспортных систем (корабли, самолеты и
др.); для медицинских и технологических целей.
Наиболее широко распространены на АЭС корпусные водо-
водяные энергетические реакторы ВВРЭР и водо-графитовые реак-
169

торы канального типа РБМК (реактор большой мощности
канальный). Основные параметры этих реакторов, а также реактора на
быстрых нейтронах (типа БН) представлены в табл. 11.1.
Таблица 11.1. Основные параметры отечественных ядерных
реакторов марок
Параметры
Мощность, МВт:
электрическая
тепловая
КПД (брутто), % .
Давление в первом
контуре, МПа
Мощность
турбоагрегата, МВт
| Расход воды через
реактор, т/ч
[ Теплоноситель
1 Температура
теплоносителя на выходе, °С
1 Загрузка топливом
(по диоксиду урана),т
1 Объем активной зоны
(графит, кладки), м3
1 Эффективная
компания топлива, сут.
1 Количество ТВЭЛов,
шт.
1 Количество
тепловыделяющих сборок, шт.
ВВЭР-
440
440
1375
32
12,5
220
39000
вода
300
50
17,7
900
44000
349
ВВЭР-
1000
1000
3000
34
16,0
1000
80000
вода
322
80
27
600...900
50800
163
РБМК-
1000 J
1000
3200
31
7,0 .
500
3700
вода
284
228
66,4
(860)
1080
60950
1693x2
БН-
350J
150
1000
35
50
натрий
600
-
_
БН- 1
600
600
1470
43
200
натрий 1
600
-
_
Ядерный реактор является составной частью технологической
схемы АЭС. Принципиальные технологические схемы АЭС
представлены на рис. 11.1. Из этого рисунка видна принципиальная система
взаимодействия основных элементов АЭС.
В состав АЭС входят здания и сооружения основного назначения,
подсобно-производственные и вспомогательные здания и
сооружения. К зданиям и сооружениям основного назначения относятся:
170

реакторное отделение (реактор и его системы); машинный зал
(турбоагрегат, подогреватели, деаэраторная этажерка, этажерка
электроустройств, помещения кабельных и распределительных
устройств); спецкорпус (системы спецочистки радиоактивного контура,
хранилища жидких и твердых радиоактивных отходов); дизельгене-
раторная (дизель-генераторы); гидротехнические сооружения
(насосные, градирни, каналы и др.).
К подсобно-производственным и вспомогательным зданиям и
сооружениям относятся: открытое распределительное устройство
(система распределения электроэнергии); административно- и сани-
тарно-бытовые корпуса; ацетилено-генераторная станция;
электролизная станция; азотно-кислородная станция; склады и др.
Схема генерального плана типовой АЭС представлена на рис.
11.2.
Обычно в ходе строительства АЭС рядом с промышленной
площадкой АЭС оборудуется специальная строительная база АЭС.
В качестве примера в табл. 11.2... 11.5 представлены инженерные
характеристики зданий и сооружений АЭС и ее строительная база.
Рис. 11.2. Схема генерального плана АЭС: 1 - главный корпус; 2 -
вентиляционная труба; 3 - открытая установка трансформаторов; 4 - ОРУ 220 кВ; 5 - ОРУ
500 кВ; 6 - спецкорпус; 7 - дизельгенераторная станция; 8 - хранилища жидких и
твердых отходов; 9 - градирни; 10 - насосные станции технического
водоснабжения; 11 - подводящий канал; 12 - сбросной канал; 13 - химводоочистка; 14 - мас-
лохозяйство; 15 - мазутохозяйство; 16 - инженерно -бытовой корпус; 17 - азотно-
кислородная станция; 18 - столовая; 19 - мастерские; 20 - складское хозяйство; 21
- пусковая котельная; 22 - ацетилено-генераторная станция; 23 - служебный
корпус; I - первый и второй энергоблоки АЭС; II - третий и четвертый
энергоблоки АЭС; III - пятый энергоблок АЭС; IV - река; V - водохранилище.
171

Таблица 11.2. Технико-экономические показатели стройбазы
АЭС с реакторами ВВЭР-1000
Наименование
Площадь стройбазы, га
Площадь под зданиями и сооружениями, га
Площадь под открытыми складами, га
Коэффициент застройки, %
Площадь автодорог и площадок, га
Протяженность железнодорожных и подкрановых
путей, км
Коэффициент использования территории, %
Значение 1
показателя
60
6,7
18,4
43
16,1
10,1
77,5 I
Таблица 11.3. Физические объемы строительных работ по
объектам промышленной площадки АЭС
с реактором РБМК-1000
Объекты
Реакторное отделение
В том числе:
первого энергоблока
второго энергоблока
Другие сооружения:
первого энергоблока
второго энергоблока
Монолитный
бетон, тыс.м
269,1
156,9
112,1
15,7
3,8
Сборный
железобетон,
тыс. м3
104,8
65,4
39,8
99,5
0,9
Металло- 1
конструкции,
тыс.т
17,7
9,1
8,6
4,5
0,2 |
11.2. Основные опасности ядерной
эиерготехнологии
Развитие ядерной энерготехнологии имеет общепромышленную
тенденцию роста единичных мощностей производства и емкостей
технологических установок при увеличении концентрации
производств в густонаселенных районах. Кроме того, усилиями
разработчиков, вследствие естественных процессов развития техники и
технологий, происходит усложнение единичных объектов производства,
что объективно увеличивает вероятность нарушения работы этих
объектов. Такие нарушения могут приводить к выбросу опасных
веществ в окружающую среду. Повышенный, по сравнению с нор-
172

мальным режимом эксплуатации, выброс опасных веществ
рассматривается как аварийный процесс (авария).
Таблица 11.4. Характеристики зданий и сооружений АЭС
с четырьмя реакторами ВВЭР-1000
Здания и сооружения
Площадь
застройки,
тыс.м2 1
Основные сооружения
Главный корпус:
реакторное отделение
машинный зал
дезаэраторная этажерка
этажерка электроустройств
Спецкорпус:
блок спецводоочистки
санитарно-бытовой блок
блок мастерских
Хранилище радиоактивных отходов:
хранилище
здание переработки
Дизельгенераторная станция
4,49x4
5,7x4 !
1,15x4
1,16x4
8,82
1,87
6,59
0,65
2,38
1,64x4
Вспомогательные сооружения
Открытое распределительное устройство
напряжением 750 кВ (ОРУ)
Объединенный вспомогательный корпус
Административный корпус
Лабораторно-бытовой корпус
Корпус газового хозяйства
1 Объединенное маслохозяйство
120
25,1
1,96
1,42
2,22
1 0,79
Строитель-
ный объем,
тыс.м3
252 х 4
222 х 4
73x4
19,7 х 4
222
56
166
-
1 6,9
252 х 4
-
215
49
36,8
207,3
1 5,7 1
По всей видимости, аварийный процесс может возникать не
только вследствие ошибок в проектах, дефектов в конструкциях,
износа оборудования, ошибок операторов и др. Имеются факты,
подтверждающие, что такой процесс может возникнуть в результате
диверсии, террористического акта, саботажа, а также в ходе
военных действий. Так, проведенные в США исследования показали, что
практически ни одно из инженерных решений, в том числе и
сооружение бетонных "колпаков" над реакторами АЭС, не
обеспечивает гарантированной защиты реактора и систем его охлаждения от
173

ударов, наносимых даже неядерными боеприпасами. В частности,
два налета авиации Ирана и Израиля на иракский ядерный центр
"Осирах" достигли цели.
По данным МАГАТЭ, за период с 1971 по 1985 гг. в 14 странах
мира на АЭС имели место более 150 аварий различной тяжести (т.е.
около 10 аварий в год). По тем же данным, причины аварий
классифицируют согласно табл. 11.5.
Таблица 11.5. Классификация аварий
Причина аварий
Ошибка в проектах, дефекты
Износ оборудования, коррозионные процессы
Ошибки оператора
Ошибки в эксплуатации
^Прочие причины
Доля аварий, % 1
30,7
25,5
17,5
14,7
11,6 J
Можно предположить, что эти же причины характеры и для
аварий на других предприятиях ядерно-топливного цикла, схема
которого с характеристиками возможных чрезвычайных ситуаций и их
последствий представлена на рис. 11.3.
На заводах по переработке ядерного топлива максимальные
выбросы радиоактивных и других опасных веществ возможны при
возникновении следующих событий: потеря воды в бассейне
выдержки топлива; взрыв и поясар на ионообменной установке с
растворителем; взрыв водорода в баке с высокоактивными отходами;
пожар в хранилище низкоактивных отходов; падение отработавшей
тепловыделяющей сборки; взрыв в установке кальцинации
высокоактивных отходов; разрушение цилиндров хранения криптона и др.
На предприятиях по изготовлению смешанного оксидного
плутоний-уранового топлива такие же выбросы возможны в следующих
случаях: водородный взрыв в спекальной печи; возгорание
ионообменной смолы; взрыв растворителя в установке регенерации
топлива из отходов; разрушение выходных фильтров; самопроизвольное
достижение критического состояния (самопроизвольная цепная
реакция СЦР); разрушение контейнера транспортировки плутония.
174

Схема 9TU
Додыча и
переработка руды
UiOn
Чреэбычйиные
ситуации
Поалёдс/пбия
<=
ВыВетриВание и
разныВ хЬостоВ
Загрязнение
среды сяаБоактиь-
иши изото/шми
Обогащение f£
iTOi
Узго/по£лениеух>
тбэлоб ™
т
Ц рроиз&одетВо
гАэнергииСАэе, лш
±S21
O/TipctSo-
таб&ее
tno/utuBo
Переработка
с
, ухудшениенизко-
\--v\t/ среднеотиВ-
Хранение В*/со-
коаис*и/Зн*/х
Хищение 255 V,
бзрыЬ, пожар, аба-
pus, диВерсия
Опасное
загрязнение среды
<=4
Хищение Ри% или
V„ лакар, саботаж.
Шрос Р&*ХЬЛМ.Р
Опасное
загрязнение ореды
Хищение при щоа- ~
УнспсртироВее^омщ
аВдрия*с&№Ж
Загрязнение
среды PB
Абария, садо/лаж,
диВерсия, пожар,
Абария, саботаж
лри
транспортировке
опасное
загрязнение средь/
Опасное
загрязнение среды Р&
<=\
Яожар, Взрыб, аВа-
рий, диВерсицсаВэ-
шок, xuutfHWet/ufh\
Гласное загрщ
нение средг>/
РЗ* ХЬ
<=\
Утечха, диВерсия}
а В ария
/* ХАВаршя или ВиВер
\сш "Р" Ъххнспфпф-
kLI <Jzd
A&apu&,caB&x6jk,
диверсия, геологи-
</ес*ие изменений
Загрязнение
средь/ PS
Оласное
загрязнение среды РЗ
Оласное загряз
нение с/хды Р&
Рис. 11.3. Схема возможных чрезвычайных ситуаций для ЯЦТ: РВ -
радиоактивное вещество, ХВ - химическое вещество, СЦР - самопроизвольная цепная
реакция
Необходимо подчеркнуть, что выбросы опасных веществ на
предприятиях ЯТЦ возможны при землетрясениях и ураганах с силой,
превышающей проектные значения, в результате авиакатастроф, а
также в результате целенаправленной деятельности человека (или
группы людей) с целью осуществления выброса опасных веществ в
среду или остановки предприятия.
175

Во всех случаях при рассмотрении вопросов безопасности
ядерной энерготехнологии необходимо оценивать следующие возможные
последствия аварий: немедленные смертельные случаи и травмы;
смертельные случаи, травмы и др., возникающие среди персонала
предприятий и населения сразу или в процессе аварии (до
локализации очага аварии и прекращения выброса опасных веществ);
латентные ("продленные") смертельные случаи и заболевания, в том
числе и в будущих поколениях населения и персонала;
материальный ущерб и загрязнение земли, биосферы и экосистем опасными
веществами, включая ущерб от вывода земель из пользования на
длительный период, вторичный ущерб изменения флоры и фауны, а
также ущерб от вывода земель из использования в районах
жесткого радиационного контроля; материальный ущерб от мероприятий
по ликвидации последствий аварий (катастроф), включая ущерб от
использования невосполнимых ресурсов; ущерб для общества и его
институтов.
Перечисленные последствия обусловлены спецификой развития
аварийных и других процессов выброса опасных веществ и самими
веществами, используемыми и образующимися на предприятиях
ЯТЦ.
Наиболее опасным элементом ЯТЦ является ядерный реактор в
составе АЭС, АТЭЦ, ACT, предприятия ЯТЦ и др. Хотя количество
радионуклидов в активной зоне реактора велико, реальную
опасность при аварии представляют только выброшенные из реактора
радионуклиды. Доля выброса радионуклидов зависит от многих
факторов, включая конструкцию реактора, состояние активной
зоны, историю развития аварийного процесса и многое другое.
Наибольшую опасность представляют продукты деления ядерного
топлива, являющиеся источниками а, р и у-излучений (табл. 11.6).
Кроме того, после аварии на Чернобыльской АЭС, возникла
необходимость рассматривать и такие специфические составляющие
выброса, как мелкодисперсную пыль и различной крупности обломки.
11.3. Характеристики известных
радиационных аварий
К радиационной аварии принято относить такой непредвиденный
случай, обусловленный нарушением технологического процесса или
неисправностью оборудования, который создает повышенную
радиационную опасность. Радиационная авария может рассматриваться и
как неожиданная ситуация, в результате которой происходит
внешнее или внутреннее (за счет поступлений внутрь организма радиоак-
176

тивных веществ) облучение отдельных лиц персонала или
населения.
Таблица 11.6. Группы радионуклидов по видам излучения,
представляющих опасность при аварийных выбросах на АЭС
J* 0 I
U-235
U-236
U-238
Ри-239
Ри-240
Ри-241
Ри-242
Ra-223
Ra-226
Th-232
Np-237
Sr-89
Sr-90
Y-91
Sr-95
Pr-117
Co-57
Co-60
Zn-65
Zr-95
Nb-95
Ru-103
Ru-106
Sb-125
1-131
Cs-134
Cs-137
Ce-141
Ce-144
К настоящему времени произошло немало радиационных аварий
различной тяжести на предприятиях ядерной энерготехнологии, в
медицине и в научных исследованиях, в промышленной
радиографии.
Со временем пуска первого ядерного реактора (1942 г.)
произошло несколько серьезных аварий, в которых имели место
значительные повреждения активной зоны. Часть из них сопровождалась
выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду в
незначительных количествах: реактор Fermi-1 в Детройте,
экспериментальный реактор-размножитель в Айдахо, экспериментальная установка
в Калифорнии и др. Кроме этого, известны несколько крупных
радиационных аварий, сопровождающихся значительными выбросами
радиоактивных веществ во внешнюю среду, эвакуация населения с
отчуждением территорий.
Челябинск-40, СССР, 29.09.57 г. Взрыв емкости с
радиоактивными отходами вследствие перегрева и "усыхания" раствора. До
90% выброшенной активности выпало на прилегающую к
хранилищу территорию. Около 10% активности попало в образовавшееся
облако, из них 90% активности определяли преимущественно ко-
роткоживупще радионуклиды (с периодом полураспада в несколько
177

лет), а из долгоживущих радионуклидов в облаке преобладал
стронций Sr-90. Облако накрыло полосу шириной 8...9 км
территории Челябинской, Свердловской и Тюменской областей. Уже через
4 ч оно находилось на расстоянии около 100 км, а через 10 ч - до
300 км. До 9000 человек, проживающих на следе облака, были
эвакуированы. Случаев возникновения острой лучевой болезни не
зафиксировано. К 1978 г. на 80% территории следа возобновлена
хозяйственная деятельность. Суммарная активность выброса
составила около 2 МКи.
Уиндскейл (Windscale)-l, Великобритания, 8.10.57 г. Пожар на
первом реакторе с подъемом температуры, горением и истечением
топлива. Реактор с воздушным охлаждением использовался для
производства плутония. Горение активной зоны из урана и графита
привело к выбросу радиоактивных продуктов через 120-метровую
трубу в окружающую среду и продолжалось более двух дней.
Образовавшееся радиоактивное облако накрыло обширные терри1чэрии
Англии, Шотландии, Северной Европы. Уровни радиации вне
промышленной площадки не превышали 30.„50 мР/ч. В окружающую
среду было выброшено: 20000 Ки йода 1-131; 600 Ки цезия Cs-137;
89 Ки стронция Sr-89 и Sr-90. Радиоактивное заражение
прилегающих к заводу районов в 10 раз превышало безопасный уровень.
Штат Айдахо, США, 3.01.61 г. Небольшой кипящий реактор с
тепловой мощностью 3 МВт являлся прототипом реактора военного
назначения. Во время технического обслуживания был внезапно
извлечен регулирующий стержень, что привело к скачку мощности и
значительному плавлению активной зоны. Суммарный выброс за
время аварии составил: 3-Ю12 Бк йода 1-131; 2-Ю10 Бк цезия Cs-
137 и 4-Ю9 Бк стронция Sr-90. Из негерметичного реакторного
здания вышло 0,01% продуктов деления.
АЭС "Тримайл Айленд" (Three Mile Island), США, 28:03.79 г.,
реактор TMI-2. Авария реактора с плавлением активной зоны
вследствие потери охлаждения, взрыв образовавшегося водорода.
Имел место выброс радиоактивных газов в атмосферу и жидких
радиоактивных отходов в реку Сухуахана. За исключением газов
большая часть радиоактивности была удержана водой в
герметичном здании реактора. Внутри реакторного здания уровень радиации
достигал 9-Ю5 Р/ч, а на прилегающей к АЭС площадке - всего 4
мР/ч.
178

11.4. Авария на ЧАЭС
Авария на Чернобыльской АЭС является наиболее крупной из
известных радиационных аварий и по существу является крупнейшей
экологической катастрофой глобального масштаба. Она произошла
на четвертом блоке ЧАЭС 26.04.86 г. в 1 ч 23 мин, в процессе
проведения эксперимента по выяснению возможности использования
механической энергии ротора турбины в интересах аварийного
обеспечения электроэнергией станции в случае ее обесточивания.
В результате теплового взрыва были разрушены активная зона
реакторной установки, часть здания, в котором она располагалась,
и кровля машинного зала АЭС. Выброшенные взрывом конструкции
образовали завал с северной стороны реакторного здания. О
мощности взрывного процесса свидетельствует то, что мощная верхняя
плита реактора была перемещена и оказалась в наклонном
положении, а одна из железобетонных плит биологической защиты,
насыщенная стальной дробью, была выброшена взрывом и пробила
кровлю здания.
В результате взрывов в реакторе и выброса разогретых до
высокой температуры фрагментов активной зоны на крыше реакторного
отделения, дезаэраторной этажерки и машинного зала возникло
более 30 очагов пожара Кроме того, очаги пожара возникали в
машинном и реакторном залах и в разрушенных помещениях. К 5 ч
утра пожар был ликвидирован.
На первой стадии аварии были разрушены система охлаждения и
активная зона реактора. Возникло горение графита. Взрывом были
выброшены высокоактивные обломки конструкций активной зоны с
топливом, графит, диспергированное топливо, продукты деления.
Выброс диспергированного топлива и продуктов деления произошел
на высоту до 1 км. Мощное истечение газообразных и аэрозольных
продуктов наблюдалось в течение 2...4 суток после аварии.
Активность вынесенных из реактора продуктов деления (без
радиоактивных благородных газов) на 26.04.86 г. составила 20...22
МКи.
На второй стадии (с 26.04.86 по 01.05.86) мощность выброса
радиоактивных веществ уменьшилась. Выбросом выносилась
мелкодисперсная топливная (остатки диспергированного топлива) и
графитовая пыль.
На третьей стадии (со 02.05.86 по 06.05.86) наблюдалось
нарастание мощности выброса. Имело место значительное обогащение
продуктов выброса йодом 1-131. По-видимому, это явилось
результатом сброса в разрушенный реактор свинца, борированных.материа-
179

лов, песка и глины (без организации теплоотвода). Такая попытка
уменьшить выброс привела к дополнительному разогреву топливных
масс вплоть до их плавления, образования "лавы", которая через
проплав в опорной плите реактора проникла в подреакторные
помещения. В связи с этим можно предположить, что попытка
засыпать шахту реактора была не самым удачным техническим
решением. В этот период, наряду с радиоактивностью, в окружающую
среду поступали и токсичные соединения свинца.
На четвертой стадии (после 6 мая) мощность выброса резко
упала и в дальнейшем не увеличивалась до прежних значений. В
отдельные дни она достигала значений до 100 Ки/сут, но в
последствии стабильно уменьшалась.
По оценкам ИАЭ им. И.В.Курчатова, выброшенное из реактора
топливо распределялось следующим образом:
реактор и прилегающие помещения (внутри объекта "Укрытие")
- не менее 87%; промышленная площадка АЭС - около 0,3% зона
радиусом до 80 км - около 1,5%; территория страны - менее 1,5%;
за пределами страны - менее 1%.
Суммарный выброс продуктов деления (без инертных газов)
составил 50 МКи.
На всех стадиях аварии выброс радионуклидов происходил в
виде мелкодисперсных (около 2 мкм) частиц диспергированного
топлива, обогащенного цезием, за исключением инертных и некоторых
летучих типа йода, цезия, теллура.
Можно предположить, что общий выброс активности из реактора
составил от единиц до десятков процентов всей накопленной в
реакторе до аварии активности. В результате образовались три основных
следа - северный, западный и южный. Северный след, по-видимому,
образовался во время первого выброса. Возникло стойкое
радиоактивное загрязнение значительных территорий, потребовавшее
принятия комплекса чрезвычайных мер, вплоть до эвакуации с
загрязненных территорий и введения ограничений на хозяйственное
использование земель. Дальние радиоактивные выпадения имели
"пятнистый" характер ("цезиевые пятна").
Анализ развития процесса выбросов из реактора позволяет
определить несколько важных радиационных факторов, имеющих
значение для организации и выполнения аварийных работ при тяжелых
реакторных авариях. К ним относятся следующие.
1. Газоаэрозольное облако выброса, распространяющееся на
значительные расстояния (сотни километров) и являющееся мощным
источником излучения. Доза внешнего облучения при прохождении
180

облака может составлять от десятков и сотен до тысяч рад вблизи
АЭС. До 70% содержащегося в облаке йода 1-131 может находиться
в газообразном состоянии и не задерживаться респираторами.
2. Загрязнение местности имеет сложный характер и трудно
прогнозируется в процессе аварии из-за недостаточности информации о
состоянии аварийного реактора,
3. Спад радиоактивности во времени во многом определяется
наличием долгоживущих биологически значимых радионуклидов,
таких как стронций Sr-90, цезий Cs-137, а также плутоний Ри-239, (-
240, -241, -242).
4. Фракционный состав выброшенной пыли (мелкая
дисперсность) способствует прониканию радионуклидов в микротрещины,
поры, обитаемые объемы и существенно затрудняет дезактивацию.
Кроме того, сами выброшенные вещества могут находиться в
растворимых и нерастворимых формах. Так называемые "горячие"
частицы, содержащие топливо, имеют высокую собственную
температуру (до 600...800 °С), чрезвычайно радиоактивны, имеют
хорошую адгезию и опасны для организма человека.
Применительно к аварии на ЧАЭС можно отметить следующие
особенности радиационной обстановки:
уровни радиации после прекращения мощных выбросов из
реактора менялись в зависимости от погодных условий; перенос
(миграция) радионуклидов из загрязненных районов естественным
путем незначителен; изотопный и физико-химический составы
отложений веществ в почве и воде; содержание в атмосфере до 25%
цезия Cs-137 от всего количества в реакторе, причем до 50% - на
территории бывшего СССР; содержание в атмосфере 3...4%
накоплений активности в газоаэрозольной форме (без инертных газов)
к моменту аварии.
Динамика поведения радиоактивных загрязнений в ближайшей к
реактору зоне определялась радиоактивным распадом, гидро- и
воздушным переносом, диффузией в почву. Еще в 1986 г. было
установлено, что радиоактивные загрязнения имеют малую вымывае-
мость атмосферными осадками и паводковыми водами (около
0,5%). Торф, чернозем, суглинки и глины хорошо удерживают
радиоактивные выпадения. В связи с этим весенние паводки
1987... 1989 гг. не привели к заметному повышению содержания
цезия в водах рек Припять, Днепр и в Киевском водохранилище.
Аналогичные результаты были независимо получены также в 1986
г. при исследовании концентрации радиоактивных веществ в
сточных водах на пунктах специальной обработки техники. В настоящее
181

время до 90% радиоактивных веществ, выпавших на грунт,
сосредоточено в слое грунта толщиной 2...5 см.
Серьезным фактором, значительно влиявшим на принимавшиеся
технические решения, был, так называемый, "китайский синдром" -
угроза разрушения конструкций реактора и подреакторных
помещений расплавившимся топливом с последующим уходом этой "капли"
в грунты с водоносными слоями. Такое развитие аварии привело бы
к еще более серьезным и во многом непредсказуемым последствиям.
Необходим поиск технических решений борьбы с этим явлением при
возможных авариях такого масштаба в будущем. Одним из
направлений решения этой задачи может быть применение техники,
обеспечивающей возведение охлаждаемых железобетонных
(металлических) ловушек для рассечения "капли" и
контролируемого охлаждения ее частей.
Заслуживает внимания и такой использованный на ЧАЭС прием
локализации выпавших на территории станции радиоактивных
веществ, как возведение глиняно-бетонной стены в грунте. Такая
стена, будучи возведенной на основных направлениях движения
грунтовых вод, должна была воспрепятствовать выносу с территории
ЧАЭС грунтовыми водами радионуклидов и их соединений. Однако
высокий уровень грунтовых вод и другие причины привели к
подтоплению нижних и заглубленных помещений станции, что не могло
не способствовать растворению тех остатков топливных масс,
которые оказались в нижних помещениях под аварийным блоком. В
целом, развитие радиационной обстановки, обусловленное
выбросами радиоактивных веществ и не всегда адекватными в этой
обстановке техническими решениями, характеризовалось изменчивостью,
естественным распадом короткоживущих изотопов, миграций
радиоактивных веществ в воздушной и водной средах, а также в грунте в
виде аэрозолей, растворов и гидрозолей, наличием "горячих" частиц.
Большой интерес для анализа протекавших в реакторе аварийных
процессов может представлять исследование имеющихся на
местности графитовых: выпадений на предмет обнаружения в них
алмазных образований.
Дальнейшее изменение радиационной обстановки в районе
аварии и за ее пределами будет определяться естественным распадом
долгоживущих изотопов и миграционными явлениями. Так, за два
года, прошедших после аварии, площади зон заражения заметно
уменьшились (в десятки раз), однако в последние годы темпы спада
уровней радиации замедлились.
182

По-видимому в дальнейшем радиационную обстановку на
зараженных площадях будет определять смесь изотопов цезия Cs-137 и
стронция Sr-90 (в разных пропорциях). По альфа-излучающим
нуклидам (плутоний Ри-239) изменений практически не
предвидится из-за большого периода полураспада. В связи с этим опасность
внешнего облучения сохранится преимущественно вблизи ЧАЭС;
опасность от внутреннего облучения будет наибольшей на
территориях, зараженных плутонием Ри-239.
В целом, на начало 1991 г. площадь территории, загрязненной
радиоактивным цезием свыше 1 Кл/км2, составляет более 100
тыс.км2 с населением около четырех миллионов человек. В том
числе с плотностью загрязнения более 15 Ки/км2 - около 11 тыс.км2
(260 тыс.чел. населения). Из этих 11 тыс.км2 в Белоруссии - 6
тыс.км2 (109 тыс.чел), в Российской Федерации (Брянская
область) - 2,4 тыс.км2 (105 тыс.чел.), на Украине - 1,5 тыс.км2 (50
тыс.чел.). Из 3,1 тыс.км2 территорий, загрязненных с плотностью
более 40 Ки/км2, только в Белоруссии находится 2,15 тыс.км2.
За время работ по ликвидации последствий аварии около 25
тысяч человек получили дозы порядка 50...70 бэр, еще 250 тысяч
получили дозы 5...25 бэр, что эквивалентно коллективной дозе
2,5-104...8 104 чел.-Зв.

Глава 12. Аварии на предприятиях
нефтегазовой и химической промышленности
12А. Аварии на предприятиях
Анализ аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазовой и
химической промышленности показывает, что имевшие место
аварии происходили либо из-за отказа техники, либо из-за ошибочных
действий производственного персонала. Аварийные ситуации при
этом целесообразно классифицировать по двум основным группам:
аварии на производственных площадках и на транспортных
коммуникациях (в основном, на железных дорогах).
Наиболее типичными причинами аварийных ситуаций с выбросом
(выливом) сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ) на
производственных площадках являются:
выбросы через санитарную колонку или свечу до зажигания;
разрыв трубопровода из-за коррозии, повреждений при
ремонтных работах и т.п.;
неисправности вентилей, прокладок и другой арматуры;
взрывы в компрессорах нагнетательных линий;
ошибки при монтаже оборудования и выборе материалов;
нарушение вакуума в электролизерах хлорных производств;
разрушение арматуры наливных станций.
Как правило, в указанных выше аварийных ситуациях выливы
(выбросы) СДЯВ имеют ограниченные размеры, однако и в этих
случаях весьма часто наблюдаются как поражения
производственного персонала, в том числе и с летальным исходом, так и поражения
среди населения в прилегающих районах из-за того, что очень много
предприятий расположено в городах (рабочих поселках) или в
непосредственной близости от них.
Наибольшая потенциальная опасность аварийных ситуаций со
СДЯВ на промплощадках имеет место на складах и наливных
станциях, где сосредоточены сотни, во многих случаях тысячи тонн
основных СДЯВ (г. Дзержинск Нижегородской обл.; Калуш Украина;
Волгоград; Стерлитамак и многие другие).
Частота возникновения аварийных ситуаций на предприятиях
нефтегазовой и химической промышленности, связанных с
выбросом или выливом СДЯВ, может быть проиллюстрирована данными
184

табл. 12.1 по количеству вызовов газоспасательной службы по
четырем предприятиям отрасли.
Таблица 12.1. Количество вызовов газоспасательной службы
Наименование предприятия
Саратовское ПО "Нитрон"
Калужское ПО "Хлорвинил"
Сумгаитское ПО "Химпром"
Чебоксарское ПО "Химпром"
Годы
1986
1987
1986
1987
1986
1987
1986
1987
Общее
число
вызовов
64
139
74
50
73
71
19
18
Вызовы по причи- 1
не выбросов или
вылива СДЯВ
23
21
54
38
70
70
19
16
Как следует из приведенных данных, хотя число выливов
(выбросов) СДЯВ достаточно велико, ликвидация аварий и их
последствий была выполнена силами газоспасателей и ремонтных
служб предприятий. Масштабы воздействия СДЯВ при таких
авариях, как правило, ограничиваются территорией предприятий. Однако
есть примеры и другого рода, когда персонал предприятий не
получил поражений, а облако хлора проникло в санитарно-защитную
зону, где были поражены сборщики хлопка (Яванское ПО
"Таджикхимпром", 1986 г.).
Аварийные ситуации при транспортировке СДЯВ сопряжены с
более высокой степенью опасности, так как масштабы перевозки
этих веществ остаются весьма большими. Например, только
жидкого хлора одновременно на железных дорогах страны находится
более 700 цистерн, в каждой из которых около 60 тонн продукта. Как
правило, в сборные маршруты может входить от 2 до 8 и даже
более цистерн. Согласно данным за 1986...1987 гг., из 17
зарегистрированных серьезных аварий со СДЯВ 12 произошли на железных
дорогах.
Наиболее характерными причинами аварийных выбросов
(выливов) СДЯВ на железных дорогах являются опрокидывание
цистерн с нарушением герметизации; трещины в сварных швах;
разрыв оболочки новых цистерн; разрушение предохранительных
мембран; неисправность предохранительных клапанов и протечка из
арматуры.
185

В течение 1985..Л987 годов на железных дорогах стран СНГ
произошли аварийные случаи с выливом следующих химически
опасных веществ и СДЯВ: хлор (6 случаев), хлорвинил (2 случая),
окись этилена, азотная кислота и олеум, хлорпикрин, сернистый
ангидрид, четыреххлористый титан, хлористый сульфурил и ряд
других. При этом только случайность в ряде ситуаций не привела к
катастрофическим последствиям. Так, например, в мае 1986 г. в
1,5 км от НПО "Найрит" в черте г. Еревана сошли с рельсов 4
цистерны с хлором, но остались неповрежденными. В другом случае
выброс в течение 10 минут около тонны хлора газообразного хлора
через предохранительный клапан цистерны из-за неисправной
мембраны на ст. Аннаву Ашхабадской области в июле 1987 г. вызвал
поражения различной степени тяжести примерно у 150 человек.
Анализ аварийной ситуации со СДЯВ показывает, что варианты
ожидаемой химической обстановки могут быть весьма
многообразны, но содержат целый ряд поддающихся количественной оценке
составляющих, которые необходимо классифицировать по
нескольким группам показателей. Эти показатели могут лечь в основу
перечня необходимой информации при организации и проведении
работ по ликвидации последствий аварий.
Основные группы таких показателей могут иметь следующую
информацию:
1. По месту аварии:
промплощадка (цех, склад, внутризаводской трубопровод);
железная дорога (станция, тупик, полоса отчуждения и т.п.);
магистральный трубопровод;
автодорога (населенный пункт, трасса и т.п.);
морское (речное) побережье.
2. По типу очага химического заражения:
активный источник заражения (вылив или выброс
продолжается);
пассивный источник заражения (разлив СДЯВ в поддон или об-
валовку, на грунт и т.д.);
скрытый источник заражения (СДЯВ в толще грунта, подземных
водах, в канализационных сетях, под слоем пены или другого
материала).
З.По масштабу аварии:
заражение атмосферы в пределах промплощадки;
заражение атмосферы до границы жилой застройки;
заражение атмосферы в жилой застройке;
заражение грунта или грунтовых вод;
186

заражение открытых водоемов (пруда, озера, реки, воды
морского прибрежья).
4. По характеру заражения:
только атмосферы (например, окись этилена, фтористый водород
и т.п.);
атмосферы и грунта (воды);
только грунта (воды);
в результате соединения или разложения (термического,
гидролиза) первоначально нетоксичных веществ.
5. По степени опасности для людей:
только ингаляционное воздействие;
смешанное (ингаляционное и кожно-резорбтивное):
с зараженными продуктами и водой (пероральное).
6. По критерию опасности СДЯВ для людей:
по скорости поражающего действия;
по глубине распространения заражения атмосферы с пороговыми
(поражающими) концентрациями;
по времени действия (существования) очага химического
поражения.
В настоящее время трудно ояшдать, что вся необходимая для
ликвидации последствий аварии со СДЯВ информация может быть
собрана и передана за короткое время после аварии. Однако уже
сейчас существуют 130 "аварийных карточек" примерно на 550
химических веществ и продуктов, в которых содержится часть
указанной выше информации. Следовательно, для более целенаправленных
и успешных действий по ликвидации последствий аварий со СДЯВ
необходимо осуществлять разработку "информационных аварийных
карт" нового типа, единых для всех ведомств страны, которые
явились бы не только практическим пособием при организации и
проведении таких работ, но и послужили основой для создания в стране
банка данных по химическим веществам и продуктам для тех
случаев, когда воспользоваться готовыми рекомендациями не
представляется возможным.
Объем информации по каждому химическому веществу или
продукту в банке данных должен быть значительно шире, чем в
настоящее время имеется в "аварийных карточках" или содержится в
"Правилах перевозки опасных грузов", так как эти документы
предназначены, прежде всего, для организации правильной перевозки
этих веществ. По современным представлениям, достаточно полная
информация в таких случаях на СДЯВ и другие токсичные или
опасные вещества должна содержать, кроме подобных физико-
187

химических и токсикологических характеристик, информацию о
способах и средствах нейтрализации и дегазации, средствах
индикации и защиты, прогнозе их сохранения в атмосфере (почве, воде)
при различных метео- и климатических условиях, адресах заводов-
изготовителей и потребителей этой продукции, а также
организациях и отдельных лицах, способных представить недостающую или
специфическую информацию для конкретных условий.
По ГОСТ 22.0.002-86 СДЯВ определяется как "...химическое
вещество, применяемое в народнохозяйственных целях, которое при
выливе или выбросе может привести к заражению воздуха
поражающими концентрациями". По опыту ликвидации аварий наиболее
часто к тяжелым последствиям с гибелью людей (цричем не только
персонала объекта, но и людей, находящихся вне производственной
площади, на других объектах или личного состава подразделений,
участвующих в ликвидации последствий аварии) приводили
выбросы следующих СДЯВ: аммиака, хлора, окиси углерода, окиси
этилена, хлористого водорода, цианистого водорода, фтористого
водорода, сернистого ангидрида, фосгена, хлорпикрина, треххлористого
фосфора, различных изоциантов, тринитротолуола, гидразина и его
производных, этилендиамина, фосфороорганических инсектицидов и
их полупродуктов. Из этих веществ на первом месте по числу
случаев с гибелью людей стоят хлор и аммиак, т.е. наиболее опасными
(не с точки зрения токсичности, а по числу жертв при авариях)
являются те СДЯВ, которые наиболее широко и в значительных
количествах обращаются в производстве и способны в достаточных
количествах переходить в атмосферу. Исходя из оценки масштабов
реальной опасности, зависящей не только от токсичности вещества,
но и от величины их запасов и характера распространения в
атмосфере, перечень СДЯВ, от воздействия которых необходимо
обеспечить защиту, можно ограничить девятью веществами: хлором,
аммиаком, фосгеном, сернистым ангидридом, цианистым водородом,
сероуглеродом, сероводородом, фтористым водородом, нитрилом
акриловой кислоты. Токсикологические характеристки этих СДЯВ
приведены в табл. 12.2.
В табл. 12.3 приведены глубины опасных зон распространения
первичного облака СДЯВ, образующегося при разрушении емкостей
для хранения. Они рассчитаны для средних метеоусловий
(изотермия, скорость ветра 1 м/с). В условиях инверсии глубина
распространения будет увеличиваться в зависимости от скорости
ветра в 1,1...3,0 раза; при конвекции - уменьшаться.
188

Таблица 12.2. Ингаляционные токсодозы, мг/л, мин
Наименование СДЯВ
1 Хлор
Аммиак
Фосген
Сернистый ангидрид
Фтористый водород
Цианистый водород
Сероводород
Сероуглерод
1 Нитрил акриловой кислоты

Смертельные
6,0
100,0
6,0
70,0
7,5
1,5
30,0
900,0
7,0

Вызывающие
поражения
средней тяжести
0,6
15,0
0,6
20,0
4,0
0,75
5,0
135,0
0,7
Вызыва- 1
ющие
начальные
симптомы
0,01
0,25
0,01
0,4...0,5
0,4
0,02...0,04
0,3
1,5...1,6
0,03
Таблица 12.3. Глубины опасных зон распространения
первичного облака СДЯВ
Наименование СДЯВ
[Хлор
Аммиак
Фосген
Цианистый водород
Сероуглерод
Сероводород
Нитрил акриловой кислоты
| Сернистый ангидрид
Объем хранения в
резервуарах, т
30...2000
30...30000
1...300
1...300
1...300
1...300
1...500
25...200
Глубина распрост- 1
ранения
первичного облака, км
96,0/26,0
65,0/22,0
33,5/17,0
30,0/19,5
1,5/0,5
9,8/3,5
39,0/11,0
| 19,0/6,6
Примечания: 1. Глубина распространения приведена для
случая разрушения емкости с максимальным содержанием
вещества. 2. В числителе приведены глубины для поражающих
концентраций, в знаменателе - для смертельных.
Время воздействия опасных концентраций зависит от типа и
количества выброшенного (вылитого) СДЯВ, а также метеоусловий в
районе аварии (скорости ветра и температуры окружающей среды),
и может колебаться от нескольких часов до нескольких суток. Так,
189

например, при выбросе (выливе) 50 тыс.т СДЯВ и температуре
окружающей среды +20° С время действия хлора, аммиака,
фосгена и сероуглерода составляет 1,8; 3,2; 1,7; и 6,7 суток
соответственно.
В табл. 36.4 даны возможные объемы работ при аварии на
предприятии, в технологическом цикле или на хранении которого
имеются СДЯВ (химическая авария). Эти данные получены по
материалам отечественных и зарубежных аварий, последствия которых
не могли быть устранены силами предприятий. Предполагалось, что
имел место выброс СДЯВ за пределы промплощадки, и авария
сопровождалась взрывами, а зона распространения СДЯВ при их
выбросе частично совпала с зоной проживания населения.
В табл. 36.5 представлены возможные объемы неотложных
(первоочередных) инженерных работ по ликвидации последствий
крупного (катастрофического) землетрясения, а таюке необходимые
(требуемые) темпы их выполнения. Данные получены расчетом с
учетов опыта выполнения инженерных задач по ликвидации
последствий землетрясения в Армении (1989 г.). При этом
рассматривалась возможность разрушения технологических элементов
потенциально опасных производств. Следствием такого события является
выброс во внешнюю среду за пределы предприятия
сильнодействующих и ядовитых веществ, а также (возможно) и
радиоактивных веществ.
В оценках использована следующая классификация зон
заражения по концентрации СДЯВ в воздухе*
3 зона, внутри и на границах которой невозможно выполнение
работ открыто на местности вне техники (опасная зона);
2 зона, в границах которой выполнение работ возможно
одноразово не более 10... 12 часов;
1 зона, в пределах которой возможно выполнение работ открыто
на местности (вне техники) по 10...12 часов в сутки в течение
месяца.
Требуемые темпы выполнения работ определены, исходя из
возможных сроков завершения первого этапа неотложных инженерных
работ, после выполнения которых потребность в специальной
технике практически отпадает.
190

12.2. Аварии емкостей под давлением
и продуктопроводов
Непрерывный рост масштабов производства и переработки
углеводородного сырья обусловливает увеличение единичных мощностей
установок и концентрации на производственных площадях горючих
и взрывоопасных продуктов и, прежде всего, сжиженных
углеводородных газов.
Это, в свою очередь, ведет к увеличению масштабов пожара,
мощности аварийного взрыва и осложнению оперативной
обстановки при аварии.
Наибольшее число крупных аварий и взрывов на складах и
открытых площадках обусловлено утечкой легковоспламеняющейся
жидкости и сжиженных углеводородных газов. Особую опасность
представляют большие залповые выбросы взрывоопасных и
токсичных газов и легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), при
которых создаются значительные трудности локализации аварий и
защиты людей.
В последние годы значительно возросло производство и
потребление жидкого аммиака на производящих и перерабатывающих пред
приятиях (предположительно до 70 тыс.т, а на припортовых
базах - до 130 тыс.т). В отечественной промышленности разрешается
применение резервуаров до 30 тыс.т.
На химических предприятиях в больших объемах производят,
хранят и транспортируют жидкий хлор. Быстрый рост производства
жидкого хлора обусловливает увеличение объемов складов, а,
следовательно, и увеличение потенциальной опасности аварий.
Хранилище сжиженных газов может быть подземным и
наземным. В подземных хранилищах в большинстве случаев хранят
сжиженные углеводородные газы под незначительным давлением. В
этих хранилищах, как правило, хранят большие объемы
сжиженных газов и ЛВЖ, т.к. этот способ хранения считается более
безопасным.
Наземные хранилища и склады применяются достаточно широко,
так как они, по сравнению с подземными хранилищами, более
экономичны и проще в эксплуатации. В наземных хранилищах
сжиженные газы хранят:
под высоким давлением, равным давлению их паров при
температуре окружающей среды;
под умеренным давлением (достигаемым отводом испаряющегося
газа);
191

под небольшим избыточным давлением, близким к
атмосферному, при температуре.несколько ниже температуры конденсации
данного газа (изотермические хранилища).
Для хранения жидкого аммиака широко применяют стальные
вертикальные одностенные хранилища с наружной изоляцией и
двухстенные с изоляцией между стенками.
Внутреннюю стенку изотермических резервуаров изготавливают
из стали, рассчитанной на работу при низкой температуре, а
пространство меясду внутренней и внешней стенками заполняют
теплоизоляционным материалом. Наружные стенки двухстенных
резервуаров выполняют с таким расчетом, чтобы защитить изоляцию от
атмосферного воздействия и сохранить сжиженный газ в резервуаре
при повреждении внутренних стенок или только защитить изоляцию
от атмосферного воздействия. Пространство между внутренним и
внешним корпусами резервуара составляет 0,6...0,9 м. Его
заполняют промышленным перлитом плотностью около 43 кг/м3.
Одностенные и двухстенные резервуары рассчитываются на
небольшое избыточного давление (7...10 кПа) и разрежение (до 0,5
кПа) в пространстве над поверхностью хранимого газа, на
максимальное барометрические давления, наибольшую нагрузку от ветра,
на снеговую и другие нагрузки.
В наружной оболочке двухстенного вертикального резервуара
располагаются штуцера для заполнения сухим азотом, пробоотбор-
ные краны, штуцера для выпуска газообразного продукта из
межстенного пространства в случае появления утечки газа из
внутреннего резервуара, штуцера для заполнения резервуара сжиженным
газом и слива его, люки-лазы (не меньше двух), предохранительные
клапаны.
Все сосуды, резервуары и трубопроводы хранилищ сжиженных
газов надежно теплоизолируются от окружающей среды, т.к.
постоянство температуры при всех способах хранения сжиженного газа
является важным фактором безаварийной эксплуатации хранилищ.
Для изоляции резервуаров и другого оборудования используется
зернистый перлит или перлитовые блоки, минеральная вата,
пеностекло и другие материалы.
Хранение резервуаров с хлором осуществляется в отдельных
вентилируемых отсеках. Каждый отсек должен быть герметичным,
чтобы исключить возможность проникания хлора в соседние отсеки
и производственные помещения. Каждый отсек оборудуется
смотровым окном размером 300x300 мм, выходящим в трубный коридор.
192

Основные опасности хранения сжиженных газов и ЛВЖ связаны
с возможностью пожаров, взрывов и интоксикации людей при
утечке больших объемов горючих и токсичных газов. Наибольшую
опасностью представляют взрывы в самих резервуарах и
последующие выбросы в атмосферу, на грунт, в водоемы взрывоопасных и
токсичных продуктов.
При утечке газов, хранящихся под высоким давлением,
происходит их бурное вскипание, так как температура сжиженного газа в
хранилищах высокого давления выше точки его кипения при
атмосферном давлении. При этом могут образовываться большие
количества газообразного горючего или токсичного продукта. При
хранении под давлением, близком или равном атмосферному, когда
сжиженный газ охлажден до соответствующей температуры, бурного
вскипания вытекающей жидкости не происходит.
Таким образом, утечка газа из хранилищ при давлении, близком
к атмосферному, связана с меньшей опасностью, чем утечка из
хранилищ, работающих под повышенным давлением. Однако
возможность утечки газов из хранилищ не может быть полностью
устранена, несмотря на принимаемые меры.
Количество газообразного продукта, образуемого в результате
испарения пролитой жидкости, зависит от давления и температуры
в резервуаре. За счет теплоты испарения понижается температура
воздуха в месте испарения, в результате чего образуются более
тяжелые по сравнению с окружающим воздухом газовоздушные смеси,
способные перемещаться на большие расстояния над поверхностью
земли.
При охлаждении воздуха происходит также конденсация
содержащихся в нем водяных паров$ которые, превращаясь в плотное
туманообразное облако, ограничивают видимость и затрудняют
проведение работ по ликвидации аварии.
При утечке сжиженного газа из хранилища, в котором он
находится под давлением, близким к атмосферному, образуется
значительно меньшее газовоздушное облако. Однако количество пролитой
жидкости из хранилища большого объема может быть столь
значительным, что она разольется на большой площади, и газовоздушное
облако, особенно при ветре, может распространиться на большое
расстояние, что приведет к заражению среды или взрыву и пожару.
Для предотвращения пожаров, взрывов и интоксикации людей
при утечке сжиженного газа используется, в основном, два способа
защиты. При возможности больших утечек устраивают обваловку,
способную вместить все содержимое хранилища, или предусматри-
7—1087
193

вают отводные каналы в безопасное место. Практически 60%
общего числа хранилищ защищают обваловкой из грунта. Обваловка
позволяет удержать пролившийся жидкий газ на меньшем участке
местности и, тем самым, сократить площадь испарения.
Вместо обваловки вокруг изотермических хранилищ сооружают
бетонные стены, достигающие по высоте уровня крыши хранилища.
Вокруг хранилищ, работающих под давлением, сооружают
железобетонные или земляные поддоны.
В соответствии с нормативами, принятыми в России, каждый
отдельно стоящий резервуар (или группа резервуаров) с жидким
аммиаком должен быть огражден сплошным земляным валом или
стенкой. Высоту наружного ограждения резервуаров принимают, в
зависимости от конкретных условий, от 3,5 до 0,8 м, а ширину
верха земляного вала не менее 1 м. Объем, образуемый между
откосами обвалования или ограждающими стенами, рассчитывается
на прием полного объема сжиженного газа от отдельно стоящего
резервуара или из наибольшего резервуара, если их несколько.
Опасность эксплуатации систем хранения и транспортировки
жидких и газообразных углеводородов определяется их физико-
химическими свойствами.
К опасным свойствам жидких углеводородов относятся высокая
плотность их в газообразном состоянии, превышающая плотность
воздуха; сравнительно низкие температуры воспламенения и
самовоспламенения; низкие нижние пределы воспламенения; широкая
область воспламенения смеси паров сжиженных газов с воздухом;
незначительная минимальная энергия воспламенения газовоздушных
смесей; высокая температура пламени при горении; высокий
коэффициент объемного расширения; способность образовывать при
движении заряды статического электричества.
Показатели, характеризующие взрыво- и пожароопасность
некоторых сжиженных углеводородных газов и нефтепродуктов,
приведены в табл. 13.3,.. 13.6.
Известно большое число крупных аварий емкостей под давлением
на подземных и наземных хранилищах. Как показывает опыт
эксплуатации и литературные данные, аварии при хранении
сжиженных углеводородов в резервуарах происходят в следующих
случаях:
при дефектах оснований резервуаров;
при нарушении прочности корпуса резервуара;
при нарушении персоналом режимов эксплуатации резервуаров;
при очистке, ремонте и демонтаже резервуаров.
194

Причинами аварий могут оказаться природные явления
(землетрясения, обвалы, оползни, действие молнии и др.).
Крупным дефектом основания стальных вертикальных
цилиндрических резервуаров является их неравномерные осадки. При
неравномерной осадке, превышающей 100 мм, под днищем резервуара
образуются пустоты, а в корпусе и днище развиваются
значительные напряжения, которые приводят к изменению формы
цилиндрической оболочки с образованием выпучин и вмятин, а в отдельных
случаях - и к образованию трещин.
Причинами нарушения прочности корпуса резервуаров являются
дефекты сварочно-монтажных работ, хрупкость металла, влияния
перепадов температур и т.д. Разрушение начинается с появления в
корпусе резервуара трещины. При эксплуатации резервуара
появление трещины влечет за собой, как правило, аварийный выброс
жидких углеводородов, который может вызвать взрыв и пожар.

Глава 13. Взрывы конденсированных ВВ,
газовоздушных, парогазовых смесей
и аэрозолей
Взрыв представляет собой кратковременный процесс весьма
быстрого превращения вещества с выделением большого количества
энергии в небольшом объеме. Указанные превращения возникают в
результате химической реакции (конденсированные, жидкие и
газообразные ВВ) или ядерной. К взрывным процессам, вызванным
физическими причинами, можно отнести разрушения резервуаров со
сжатым газом, паровых котлов, а также мощные электрические
разряды.
В России с 1991 г. ведутся работы по созданию банка данных об авариях в
рамках Государственной научно-технической программы "Безопасность населения
и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и
техногенных катастроф" (ГНТП "Безопасность"). Разработаны структура и
содержание унифицированных банков данных природных и природно-техногенных
катастроф.
Всероссийским НИИ судебной экспертизы (ВНИИСЭ МЮ РФ) под
руководством И.С.Таубкина создан банк данных по 183 тяжелым авариям в
промышленности, на транспорте, в коммунальном и сельском хозяйстве, связанным со
взрывами. Ценность этого источника, в отличие от актов ведомственных комиссий и
сообщений прессы, состоит в достоверности информации, поскольку она получена
в ходе следствий и экспертных исследований.
13.1. Взрывы конденсированных ВВ
При взрыве заряда конденсированного взрывчатого вещества
(ВВ) в атмосфере возникают воздушные ударные волны,
распространяющиеся с большой скоростью в виде области сжатия —
разрежения со скачком на своем фронте давления, температуры,
плотности и скорости частиц среды (массовой скорости). При взрывах
компактного заряда ВВ произвольной формы на расстояниях,
превышающих несколько его характерных размеров, эффективность
действия ударной волны эквивалентна действию заряда сферической
формы. Форма фронта волны также является сферической. Таким
образом, форма заряда несущественно сказывается на параметрах
воздушной ударной волны на расстояниях от конструкций,
представляющих практический интерес. Кроме того, масса заряда ВВ на
этих расстояниях оказывается несущественной в сравнении с массой
сферического объема воздуха (за фронтом ударной волны), вовле-
196

каемого в движение. Эти обстоятельства привели к полезной
абстракции, облегчающей постановку и решение задачи о расчете
параметров ударных волн — схеме "точечного взрыва".
В теории точечного взрыва считается, что конечное количество
энергии мгновенно выделяется в точке, т.е. масса продуктов
детонации пренебрежимо мала. На не слишком больших расстояниях от
центра взрыва давление в волне значительно выше атмосферного
(сильная ударная волна), и атмосферным давлением пренебрегают.
Решение без учета атмосферного противодавления является
автомодельным (самоподобным). На расстояниях, где давление в волне
становится соизмеримым с атмосферным, формулируется задача о
точечном взрыве с учетом противодавления. Такая задача является
неавтомодельной и в общем случае может быть решена только
численными методами на ЭВМ. Полное решение автомодельной задачи
о точечном взрыве в замкнутом виде дано Л.И.Седовым (1946 г.).
В связи с развитием вычислительной техники теория точечного
взрыва интенсивно развивается на неавтомодельные и неодномерные
задачи, а также на ситуации, связанные с фазовыми переходами и
излучением. Задачу о точечном взрыве обычно формулируют для
трех видов симметрии: сферической, цилиндрической и плоской.
Цилиндрическая симметрия относится к зарядам, распределенным
вдоль некоторой прямой, а плоская — к зарядам, расположенным в
некоторой плоскости. Эффект действия ударных волн зависит как
от вида симметрии, так и от расположения точки (линии,
плоскости) взрыва относительно земной поверхности.
При воздушном взрыве ударная сферическая волна достигает
земной поверхности и отражается от нее (рис. 13.1). На некотором
расстоянии от эпицентра взрыва (проекции центра взрыва на
земную поверхность) фронт отраженной волны сливается с фронтом
падающей, вследствие чего образуется так называемая головная
волна с вертикальным фронтом, распространяющаяся от эпицентра
вдоль земной поверхности. Ближняя зона, где отсутствует слияние
фронтов, называется зоной регулярного отражения, а дальняя зона,
в которой распространяется головная волна, — зоной нерегулярного
отражения (ниже траектории тройной точки слияния трех
фронтов). В ближней зоне при умеренной высоте взрыва давление в
ударной волне очень велико. Поэтому наибольший интерес
представляют данные об ударной волне в дальней зоне.
Характер воздушной ударной волны при наземном взрыве (за
пределами воронки) соответствует дальней зоне воздушного взрыва.
Таким образом, как при воздушном, так и при наземном взрывах
197

обычно рассматривают воздушную ударную волну,
распространяющуюся от эпицентра с вертикальным фронтом. Характерная
волновая картина при наземном взрыве приведена на рис. 13.2. В
двухслойном грунтовом массиве энергия взрыва, переданная грунту,
вызывает прямую взрывную волну 1. Воздушная ударная волна Б,
распространяющаяся вдоль поверхности грунта, замедляется, а ее
интенсивность уменьшается, что вызывает в мягком слое волну
сжатия, режим которой 2 на траектории 4 переходит в
опережающий режим 5. Кроме того, образуется преломленная волна 3. При
достаточно мощном грунтовом слое наклон волны сжатия весьма
мал, т.е. фронт почти параллелен поверхности грунта.
Рис. 13.1. Схема
волнообразования при воздушном взрыве: Э —
эпицентр взрыва; П — фронт
падающей волны; О — фронт
отраженной волны; Г — фронт
головной ударной волны; Т —
траектория тройной точки
Дальняя зопа
При подземном взрыве
воздушная ударная волна ослабляется грунтовой средой. При
глубинах, оптимальных для образования воронок в скальных породах и
близких к ним глубинах взрыва, вначале возникает воздушная
ударная волна, "наведенная" движением поверхности грунта, а
затем происходит выход или прорыв газов, т.е. воздушная ударная
волна имеет два максимума. При взрывах на малых глубинах
наблюдается только волна от выхода газов, а на больших глубинах
при камуфлетах - только "наведенная" волна.
С момента прихода фронта воздушной ударной волны в точку на
земной поверхности давление резко повышается до максимального
значения Рф (рис. 13.3), а затем убывает до атмосферного Р0 и
ниже атмосферного.
Период т+ повышенного избыточного (сверх атмосферного)
давления АР = Р - Р0 > О называется фазой сжатия, а период т_
пониженного давления АР < 0 — фазой разрежения. Одновременно
с давлением в ударной волне возникает движение воздушной среды
от эпицентра (центра) взрыва. Законы изменения массовой
скорости v и плотности р среды во времени качественно аналогичны
изменению давления, однако вследствие инерционности воздушного
потока период т+ск положительной фазы скоростного напора
198

Рек ~ Уч Рv 2 > 0 несколько больше, чем т+. Избыточное давление
в волне и скоростной напор являются важнейшими
характеристиками ударной волны, определяющими эффект ее воздействия на
сооружение.
Рис. 13.2. Волновая картина при наземном взрыве
Рис. 13.3. Изменение
давления в ударной волне
со временем в
фиксированной точке
По мере
распространения ударной
волны ее интенсивность
убывает, скорость продвижения фронта волны уменьшается, и на
значительных расстояниях от эпицентра ударная волна вырождается
в акустическую. Основными параметрами, определяющими
интенсивность ударной волны, являются избыточное давление на фронте
АРф и длительность фазы сжатия т+. Эти параметры зависят от
массы С заряда ВВ определенного типа (т.е. энергии взрыва),
высоты Н , условий взрыва и расстояния R от эпицентра.
М.А.Садовский — один из первых исследователей поля взрыва
экспериментально установил, что основные параметры ударной
волны подчиняются законам подобия. Эти законы имеют большое
практическое значение, так как применимы для широкого
диапазона энергий взрыва. Пусть для заряда ВВ, например, из тротила
(тринитротолуол, ТНТ) массой С2 на расстоянии Л} известны
параметры на фронте ударной волны (давление, плотность, скорость
199

частиц), а также временные параметры (т+ т+с/с и время т*
прихода фронта волны). Тогда те же параметры на фронте ударной
волны взрыва заряда с массой С2 будут на расстоянии R2, причем
это расстояние и временные параметры (которые на расстояниях
Щ и jR2 , м, соответственно обозначим il и т2 ) определяются по
формулам (закона подобия кубического корня)
Я, = R^CJC^ х2 = ^С2/С, . (13.1)
Если ввести величину
R = R/%C, (13.2)
где С — тротиловый эквивалент, кг, (для ядерных взрывов — трота -
ловый эквивалент по ударной волне, равный половине полного
тротил ового эквивалента), то закон подобия можно сформулировать
как равенство параметров на фронте волны на равных
"приведенных" расстояниях R , м/кг1/3. Для воздушных взрывов на
высоте JT, м, для соблюдения подобия необходимо иметь также
равенство "приведенных" высот
Н = HJ4C .
Важной характеристикой ударной волны является ее удельный
импульс / , кПа-с, определяемый для фазы сжатия (0 < t < т+) по
формуле
/ = \AP(t)dt = AC2/S/R , A~0,4 , (13.3)
о
где AP(fr) — функция, характеризующая изменение избыточного
давления за фронтом ударной волны во времени.
Удельный импульс положительной фазы скоростного напора
определяют аналогично, но вместо AP(f) под интегралом (13.3) берут
функцию Pck(t) , характеризующую изменение скоростного напора
в интервале 0 < t < т+ск. Согласно закону подобия на расстояниях
R}, 7?2, соответствующих формуле (13.1), импульсы Ij и /2
связаны соотношением
h = 1^С2/С, . (13.4)
Импульс фазы разрежения играет сравнительно меньшую роль, а
его значение отрицательно, т.е. полный импульс несколько меньше
импульса фазы сжатия.
200

Параметры воздушной ударной волны определяют по формулам
М.А.Садовского, в которых вид взрывчатого вещества учитывается
тротиловым эквивалентом по ударной волне.
Давление АРф , МПа, для свободно распространяющейся
сферической воздушной ударной волны определяют по формуле
др 0,084 0,27 0,7
Мощность контактного взрыва на неразрушаемой преграде
удваивается в связи с формированием полусферической волны. Поэтому
для наземных взрывов величина тротилового эквивалента С в
(13.2), (13,5) умножается на 2г|, где коэффициентом г| < 1
учитывается расход энергии на образование воронки в грунте. Для
средних грунтов г| = 0,6.. .0,65, для плотных суглинков и глины
11 = 0,8.
Максимальное избыточное давление на поверхности земли при
воздушном взрыве зависит от высоты взрыва Я, однако при
взрывах на небольшой высоте и на расстояниях R > Н (дальняя зона)
максимум давления приближенно можно оценить по формуле
(13.5).
Длительность фазы сжатия т+ , с, для наземного и приземного
взрывов определяют по формуле
х+ = l,5 10~3-3/cV#, (13.6)
а максимальное давление разрежения ДР_, МПа, и длительность
фазы разрежения т_ , с, при АРф < 0,4 МПа — из выражений
АР_ =-0,03/1?, (13.7)
т_ =0,0133/С . (13.8)
Скоростной напор на фронте ударной волны Рскф определяют по
формуле (13.18), а длительность т+ск в зависимости от давления
характеризуется следующими значениями отношений х+ск/х+
ДРф/Ро
Для использования приведенных формул при расчете параметров
волн при взрывах различных: химических ВВ с теплотой взрыва Qv
од
1,15
0,5
1,50
1
1,65
5
2,5
10
2,15
100
1,83
201

величину С следует корректировать умножением на коэффициент,
равный отношению Qv данного ВВ и тротила согласно данным,
приведенным в табл.13.1.
Для ядерных взрывов величина С в формуле (13.2) представляет
тротиловый эквивалент по ударной волне. Обозначим Сп — полный
тротиловый эквивалент. Тогда для свободно распространяющейся в
атмосфере ударной волны воздушного взрыва С = 0,5 Сп, а для
наземного й приземного ядерных взрывов С = 2г| • 0,5С„ , т.е.
С = г\Сп. (13.9)
Для воздушных ядерных взрывов параметры ударной волны на
поверхности земли зависят от расстояния до эпицентра R и высоты
взрыва Н. Соответствующие графики для взрыва с Си=1 кт даны
на рис. 13.4. Для других значений Сп следует воспользоваться
законами подобия.
Таблица 13.1. Теплота взрыва распространенных
промышленных ВВ
Взрывчатое вещество
Тротил (ТНТ)
Гексоген
Тэн
Динитробензол
Тринитробензол
Пикрат аммония
Тринитроанилин
Аммонийная селитра
Пентолит 50/50:
50% ТЭН + 50% ТНТ
0у,
кДж/кг
4240
5540
5880
3650
4520
3360
4160
1440
4800
Взрывчатое вещество
Тринитрохлорбензол
Нитрогуанидин
Дымный порох
Пироксилин (N=13,3%)
Аммотол 80/20
Октоген
Гликольдинитрат
Оксиликвиты
(поглотители: торф, уголь, мох,
| древесная мука)
Qv. I
кДж/кг
4240
3020
2790
4370
4200
■5420
6640
3800...
...4200
Соотношения между параметрами на фронте ударной волны
могут быть получены при рассмотрении прямого скачка уплотнения,
распространяющегося в трубе постоянного сечения при вдвигании
поршня со скоростью иф. Для среды с достаточно общими
термодинамическими свойствами, когда удельная внутренняя энергия
определяется функцией е(Р, р), законы сохранения имеют вид (Бф —
скорость распространения фронта ударной волны)
202

Рф(л*-»ф) = РоЛ# . (1310)
р0 Иф уф = Рф - Р0 , (13.11)
Ро^К-е0+К4) = РФуФ- (1312>
по m r,h о т т rjM m
Рис. 13.4. Зависимость параметров ударной волны на поверхности грунта
от расстояния R до эпицентра и высоты Н взрьша мощностью 1 кт в зоне
регулярного (А) и нерегулярного (Б) отражения: а, б — избыточное
давление на фронте волны; в — максимум горизонтальной составляющей скоростного
напора; г — длительность фазы сжатия Т+ и скоростного напора Т+с^
Уравнение энергии (13.12) можно заменить так называемой
ударной адиабатой
2(вф - 80) = (Рф + P0)(l/Po " УРФ) ■ (13-13)
Здесь и в дальнейшем индексы "ф" и "0м относятся к параметрам
на фронте ударной волны и в невозмущенной среде соответственно.
Для совершенного газа с отношением теплоемкостей при
постоянном давлении и объеме у = CP/CV = const
б = Р/[р(у - l)]+ const
203

и из (13.13) получим вьфажение для ударной адиабаты в явном
виде
P»=(T+ift+(r-ifr (13.14)
р0 (у-1)Рф+(у + 1)Р0
Если известной считать величину Рф (или АРф ), которая может
быть получена, например, по формуле (13.5), то остальные' три
параметра на фронте ударной волны определяются из следующих
выражений:
С0 API
*>а = , Ф , (13.15)
Ф y^l + AP^(j + l)/(2y)
Оф = С0у11 + АРф(у+1)/(2у), (13.16)
1 + А^(у+1)/(2у)
Р*=Р>1 + Д^(У-1)/(2у)' (13Л?)
где С0 - скорость звука в атмосфере, АРф = АРф/Р0 .
Скоростной напор на фронте ударной волны
Температура 7ф на фронте ударной волны определяется по
формуле
Тф=Т0(1 + щ)/(рф/р0). (13.19)
Параметры с индексом "О" обычно принимаются по данным
международной стандартной атмосферы на уровне моря (МСА):
Р0 = 0,101325 МПа, р0=1,2249 кг/м3, Г0 = 288,16 К.
При давлениях АРф<10 МПа для воздуха у=1,4 и формулы
(13.15)... (13.19) преобразуются к виду
иф=%С0АРф/^1 + %АРф, (13.20)
Оф=С0^1 + %Щ, (13.21)
Рф = Р0(ЬЩ +1)1{щ+1), (13.22)
Рлф =%^ф APJ/(APJ +7), (13.23)

Тф = Г0(1 + АР^АР^ + 7)/(бДР£ + 7). (13.24)
Давление нормального отражения ЛР0ТР зависит от давления
АРф . Формула для коэффициента отражения имеет вид
от ы>ф 2Г + (т-1)лр;
Для воздуха при у = 1,4
КОТР=(14 + 8АРф)/(7 + АРф).
Для больших давлений эффективное значение у = 1,2 и
предельное значение Котр = 13. Число Маха на фронте волны Мф
определяется по формуле (Сф — скорость звука на фронте ударной
волны)
Мф=рф/Сф. (13.26)
Адиабатические процессы, происходящие во "фронте" ударной
волны, неизэнтропичны. Во фронте волны энтропия S возрастает, в
связи с чем температура Т при ударном сжатии ниже, чем йри изэн-
тропическом. За фронтом волны процесс может рассматриваться
как изэнтропический. Как известно, термодинамическое равновесие
среды определяется только двумя независимыми параметрами из
числа р, Р, Г, S и т.д. Поэтому уравнение состояния обычно дает
связь между тремя величинами, например, Р = Р(р, Г) или
p = p(p,s).
Из первого закона термодинамики для газа с постоянными тепло-
емкостями при неизэнтропических процессах уравнение состояния
имеет вид
Р_
Ро vPo/ V Cv
Поэтому при dS/dt =0 получаем зависимость Р = Р(р) ,
соответствующую баротропным средам и называемую адиабатой Пуассона
— = [-£-] . (13.28)
Ро \PoJ
Скорость Сг распространения слабых возмущений за фронтом волны
(местная скорость звука) определяется выражением
r"Vexpf^-^|. (13.27)
205

5
Дифференцируя (13.28) по р, подставлял в (13.29) значение
dP/dp и учитывая уравнение совершенного газа Р = pRTT,
получим ( RT — газовая постоянная)
Cr=y[WJp=y[tfW- (13.30)
Подставив сюда параметры на фронте ударной волны, получим
формулу для скорости звука на фронте волны
сФ = ^y(ap* + Ро)/рф = с0т1(щ + 1)/(рф/ро) • (13-31)
В табл.13.2 приведены значения параметров на фронте ударной
волны в диапазоне давлений АРф = 0,003...10 МПа для МСА,
у = 1,4.
Изменение со временем избыточного давления AP(t) и
скоростного напора Pcjf(t) за фронтом ударной волны для широкого
диапазона значений АРФ получено Броудом численным решением
задачи о точечном сферическом взрыве, рис.13.5. Расчетные
аппроксимирующие формулы имеют вид (z -t/i+ , z' = t/i+ck ):
для давлений
АР/ АРф = (1 - z) exp(-a z) (0 < z < l) (13.32)
\0,5 + АРф (Щ = АРФ/Р0<1)
0,5 + ДР^Ц - (ОДЗ + 0,2AP^)z] (l< ДР£ < з)
\а + 6/(1 + cjz) (З < Щ < 50)
[-0,231 + 0,388ДРф - 0,0332(ДР^)2 (**% - 10)
[о (АРф > Ю)
|ДР^(0,88 + 0,072 Щ) (ДР^ < ю)
\щ( 1,67 - 0,011 ДРф) (щ > 10)
cj = 8,71 + 0Д843ДР£ - Ю4/(ДР£ + ю) ;
для скоростного напора
а = <
а = <
Ъ =
206

р*/Рлф = (i - А2 ехр(-Р А (о * *' * 1)
0,75 +3,2 АР^ (^Ф^1)
(13.33)
Р =
d
-1,33 АР^
-5,6 +0,63 АР^
0
(l< ДР^ < 50)
(ар^<з)
(3 < ДР^ < 10)
(др^>ю)
/ = 6,4АР^, Й = 0,725ЛР^
б)
АРф, МПа
Рис.13.5. Изменение со временем давления ЛР(0 и скоростного
напора PcTc(t) в волне в зависимости от АРф
Для умеренно сильных ударных волн, которые часто встречаются
на практике, ударный переход можно рассматривать как изэнтропи-
ческий процесс, т.е. заменить ударную волну переходом к
соответствующей простой волне (принимая постоянный инвариант Римана
SP ). Для волны, распространяющейся по невозмущенному газу,
откуда
v Сг С0
О р — — ,
2 у-1 у-1
v = 2(Cr-C0)/(y-l) .
(13.34)
(13.35)
207

Таблица 13.2. Параметры на фронте воздушной
ударной волны
K/fo)
0,03
0,06
0,1
0,3
0,5
0,7
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4
5
7
10
50
| 100
Рф/ро
1,021
1,042
1,070
1,205
1,333
1,455
1,625
1,882
2,111
2,316
2,500
2,667
2,818
3,083
3,500
3,941
5,386
5,673
иф/С0
0,0212
0,0418
0,0685
0,191
0,299
0,395
0,524
0,709
0,867
1,007
1,134
1,250
1,358
1,553
1,890
2,309
5,393
7,671
Щ/С0
1,013
1,025
1,042
1,121
1,195
1,265
1,363
1,512
1,648
1,773
1,890
2,000
2,104
2,299
2,646
3,094
6,622
9,312
Сф/С0
1,0044
1,0086
1,0139
1,0387
1,0608
1,0809
1,109
1,153
1,192
1,229
1,265
1,300
1,332
1,395
1,512
1,671
3,077
4,218
Тф/То
1,0085
1,017
1,028
1,078
1,125
1,169
1,231
1,328
1,421
1,511
1,600
1,688
1,774
1,946
2,286
2,877
9,469
17,80
мф
0,021
0,041
0,060
0,184
0,282
0,365
0,472
0,615
0,727
0,819
0,896
0,962
1,020
1,113
1,250
1,382
1,753
| 1,818
?скф
ЛРф
0,0107
0,0212
0,0352
0,103
0,167
0,227
0,313
0,441
0,556
0,658
0,750
0,833
0,903
1,042
1,250
1,470
2,193
2,336
лотр
2,026
2,051
2,085
2,247
2,400
2,545
2,750
3,059
3,333
3,579
3,800
4,000
4,182
4,500
5,000
5,529
7,263
7,607 1
При распространении простой волны ее форма искажается, а
параметры изменяются со временем. Если, однако, рассматривать
точку, фиксированную в пространстве, то в ней параметры газа
связаны соотношениями (13.28), (13.30), (13.34), которые
содержат четыре переменных Р, t>, р , Сг. Задав одну из них, можно
вычислить остальные. Для точки в пространстве зададим функцию
P(t) - taP{t) + P0 • Тогда остальные параметры в данной точке будут
определены также в функции времени, характеризуя состояние
среды по мере прохождения волны. Приближенные формулы для
скоростного напора Рск и числа Маха М в волне (как на фронте, так
и за фронтом) имеют вид
РсЖ) = фро tfM2(t), (13.36)
208

Щ = ^
Y-l
1-
ш
(1-7)/2т
(13.37)
При их использовании длительности фазы сжатия ударной волны
и положительной фазы скоростного напора будут совпадать.
Для приближенных расчетов часто применяют формулу, в
которой импульс / берется согласно выражению (13.3),
АР = АРф(1-г/т+)п, п = АРфт+/1-1 (13.38)
или линейную зависимость
AP = APj(l-t/T^), (13.39)
где тэф — эффективное время, определяемое из условия равенства
импульсов /по (13.3), соответствующих функциям ЛР(*) согласно
(13.32), (13,39),
[(о,85-0,20ДР^)т+ (Щ<1)
Хэф =<
[(о,72 - 0,08 АР^)т+ (l< Щ < з)
(13.40)
Рис. 13.6. Эпюры давления ударной волны
в положительной фазе: 1 — действительная
кривая; 2 — равновеликая по импульсу
треугольная эпюра; 3 — треугольная эпюра,
образованная касательной к кривой
Иногда максимальные деформации
конструкций сооружений достигаются в
начальный период нагружения за время, намного меньшее
длительности т+. При этом в расчетах конструктивных элементов можно
принимать изменение давления по касательной к истинной кривой
AP(t) в точке t = 0, при эффективном времени т'эф (рис.13.6)
согласно формулам
+/(1,5 + Щ) (ДР£<3) (i34i)
0,769 + 1,268ЛР^, + 0,0388(ДР^)21 (з < ДР£ < К))
*эф=<
209

13.2. Взрывы газопаровоздушных смесей
в открытом пространстве
Взрывы газопаровоздушных и пылевоздушных смесей образуют
класс объемных взрывов. Если взрывы пыли происходят в
замкнутых объемах (помещениях), то взрывы газопаровоздушных смесей
(ГПВС) могут происходить как в помещениях, так и в
неограниченном пространстве.
Взрывы ГПВС в помещениях (зданиях) возникают в результате
утечки газа из элементов оборудования. Взрывы ГПВС могут также
возникать в емкостях (резервуарах, газгольдерах, цистернах,
грузовых отсеках танкеров) для хранения и транспортировки взрыво- и
пожароопасных веществ. Взрывы смесей горючих газов с воздухом с
тяжелыми последствиями происходят на шахтах.
Взрывы ГПВС в неограниченном пространстве могут происходить
в результате разрушений газопроводов, разлива сжиженного
горючего газа, его испарения с переходом в детонацию. Известно
большое число аварийных взрывов резервуаров с большим количеством
сжиженного горючего газа, сопровождаемых образованием
осколочного поля.
В зависимости от давления Р и температуры Т вещество может
находиться в различных агрегатных состояниях (рис. 13.7). Для
сжижения газов их охлаждают и сжимают до параметров, соответ-
ствуюпщх жидкой фазе, которые в общем случае отличаются от
давления и температуры окружающей среды . Участок кривой АВ
представляет условия равновесия двух фаз — жидкости и пара
(линия насыщенного пара). Тройная точка А фиксирует
одновременное равновесие трех фаз. В критической точке В пропадает
граница между жидкостью и паром: при Т > Т^ вещество находится в
газообразном состоянии, независимо от давления. Резкой границы
между паром и газом провести нельзя. Поэтому оба эти состояния
для краткости обозначаются как ГПВС. Критические параметры
некоторых веществ приведены в табл. 13.3.
Сжиженные углеводородные газы, хлор, аммиак, фреоны,
находящиеся под сверхатмосферным давлением при температуре выше
или равной температуре окружающей среды в сосудах, резервуарах
и другом технологическом оборудовании, являются перегретыми
жидкостями.
В теплоизолированных ("изотермических") сосудах и резервуарах
при отрицательных температурах хранят сжиженные газы (метан,
азот, кислород), которые называют криогенными веществами. Кри-
210

тическая температура таких веществ значительно ниже, чем
окружающей атмосферы.
р
р
L
1
2
4
В
3
1 .
1>ми .*/(*-»)
Ткр Т
Рис. 13.7. Диаграмма состояния
вещества: А - тройная точка;
В - критическая точка; 1 - твердая
фаза; 2 - жидкость; 3 - газ; 4 - пар
Рис. 13.8. Зависимость скорости
испарения разлития жидкостей
третьей категории от скорости
ветра
Вещества другой характерной группы (пропан, бутан, аммиак,
хлор) хранят в жидком состоянии под давлением в однослойных
сосудах и резервуарах при температуре окружающей среды.
В.Маршал классифицировал вещества по признаку их
расположения в зонах диаграммы состояния. К 1 категории отнесены
вещества с критической температурой ниже температуры среды
(криогенные вещества — сжиженный природный газ (СПГ)
содержащий, в основном, метан, азот, кислород).
Ко 2 категории отнесены вещества с критической температурой
выше, а точкой кипения ниже, чем в окружающей среде
(сжиженный нефтяной газ (СНГ), пропан, бутан, аммиак, хлор).
Их особенностью является "мгновенное" (очень быстрое) испарение
части жидкости при разгерметизации и охлаждение оставшейся доли
до точки кипения при атмосферном давлении.
3 категорию составляют жидкости, у которых критическое
давление выше атмосферного и точка кипения выше температуры
окружающей среды (вещества, находящиеся в обычных условиях в
жидком состоянии). Сюда попадают также некоторые вещества
предыдущей категории, например, бутан — в холодную погоду и
этиленоксид — в жаркую.
4 категория — вещества, содержащиеся при повышенных
температурах (водяной пар в котлах, циклогексан и другие жидкости под
211

давлением и при температуре, превышающей их точку кипения при
атмосферном давлении).
Таблица 13.3. Значения критических параметров и плотности
рсж в сжиженном состоянии некоторых веществ
Вещество
[Водород Н2
Азот N2
Кислород 02
Метан СН4
Этилен С2Н4
Этан С2Н6
Пропилен СДН6
Пропан С3Н8
Хлор С1
Аммиак СН3
Бутан С4Н)0
Циклогексан С6Н]2
Изобутан (СН,)3СН
Пентан С5Н]2
Двуокись углерода С02
Тетрафторметан CF4
| Вода Н,0
Т °С кипения при
давлении 0,1 МПа
-252,0
-196,0
-183,0
-164,0
-103,7
-88,6
-47,7
-42,17
-34,5
-33,35
-0,6
+80,7
-11,7
+36,0
-78,52
-128,0
+100,0
■*кр> С
-240,0
-147,0
-118,0
-82,0
9,5
32,1
91,4
96,8
144,0
132,4
153,0
280,0
133,7
197,0
31,0
-45,5
374,0
*КР'
МПа
1,28
3,40
5,05
4,65
5,02
4,83
4,55
4,21
7,70
11,30
3,70
4,01
21,8
Рсж' 1
кг/м3 |
567
546
608
582
682
601
580
626
1180
1960
1000
При разлитии жидкостей 3-й категории их испарение зависит от
свойства летучести, температуры внешней среды и скорости ветра.
На рис.13.8 приведена ориентировочная зависимость скорости
испарения vucn разлития от скорости ветра.
При полном разрушении емкостей с криогенными жидкостями,
веществами второй категории происходит их выброс в атмосферу,
вскипание с быстрым испарением и образованием облаков
газопаровоздушных смесей.
Аварийное вскрытие емкостей с негорючей или горючей
перегретыми жидкостями сопровождается взрывом и опасным действием
осколков. Анализ осколочных полей, возникающего при взрывах
различных энергоносителей в оболочках и контейнерах, а также
боеприпасов и расчет поражающего действия осколков по мишеням
из металлических и неметаллических материалов приведены в гл.16.
212

Воспламенение облака ГПВС происходит при наличии источника
зажигания. При этом возможен переход дозвукового дефлаграцион-
ного режима с ускоряющимся пламенем к детонационному
сверхзвуковому.
Огненный шар без детонации возникает обычно при горении
ГПВС, переобогащенной топливом, а также в некоторых случаях —
состава, близкого стехиометрическому.
Переходу к детонации способствуют различные препятствия
(строения, предметы, пересеченная местность) на пути
распространения пламени, вызывающие турбулизацию.
13.2.1. Детонация ГПВС
Сферическая детонационная волна может возникнуть и
непосредственно в ГПВС от слабого энергетического источника, например,
от искры, если размер облака превышает некоторое критическое
значение (табл.13.4) и в пределах концентраций, указанных в
табл.13.5.
Таблица 13.4. Минимальная энергия 2?^ инициирования
ГПВС, наиболее чувствительных к детонации (смесей с
объемной концентрацией ц топлива) и минимальные диаметры dmin
облака, способного детонировать (цит. по М.Нетлетону)
Горючий компонент
Ацетилен С2Н2
Водород Н2
Пропан С3Н8
Пропилен С3Н6
Этан С2Н6
Этилен С2Н4
Метан СН4
ц., об.%
12,5
29,6
5,7
6,6
5,7
9,5
12,3
^min, ft*
1,3102
4,2106
2,5106
7,6105
5,110е
1,2-Ю5
2,3-108
dm\W M 1
3,12
109,6
85,8
58,5
109,6
31,2
398,0
Статистика 150 аварий в России и странах СНГ в период
1970...1989 гг. показывает, что в 42,5% случаев взрывов облаков
ГПВС участвовали углеводородные газы, 15,5% — пары
легковоспламеняющихся жидкостей, 18,0% — водород, 5,3% — пыль
органических продуктов. Аварийные взрывы конденсированных
нестабильных веществ составили 12,0%. В 30 случаях при авариях из
указанного числа происходили выбросы значительных масс токсич-
213

ных веществ: хлора — 17, аммиака — 11, оксидов углерода и азота
- 2.
Из 150 крупных взрывов 84 произошло в технологической
аппаратуре, 66 — в атмосфере. В 73 случаях при взрывах были
серьезные разрушения зданий, сооружений и различного оборудования
промпредприятий.
Таблица 13.5. Концентрационные (об.%) пределы детонации
и воспламенения ГПВС в неограниченном пространстве и в
замкнутых объемах (Н.Нетлетон, 1989; * по К.К.Андрееву и
А.Ф.Беляеву, 1960)
Горючий компонент
Ацетилен С2Н2
Бутан С4Н10
Водород Н2
Пропан С3Н8
Пропилен С3Н6
Этан С2Н6
Этилен С2Н4
Бензол С6Н6
Ксилол С6Н10
Циклогексан С6Н12
* Метан СН4
* Аммиак NH3
* Окись углерода СО
| * Сероводород H9S
Детонация
неогр.простр.
нижн.
2,5
3,0
3,5
4,0
верхн.
5,2
7,0
8,5
9,2
замкн .объем
НИЖН.
4,2
1,98
18,3
2,57
3,55
2,87
3,32
1,6
верхн.
50,0
6,18
58,9
7,37
10,40
12,2
14,7
5,55
Воспламенение 1
НИЖН.
2,5
1,8
4,0
2,1
2,4
3,0
2,7
1,3
1Д
0,57
5,0
15,5
12,5
4,3
верхн. \
80,0
8,4
75,0
9,5
11,0
12,4
36,0
7,9
6,4
7,8
15,0
27,0
74,2
45,5
Аналогичные данные характеризуют аварийность, связанную со
взрывами в Великобритании. Так, из общего числа аварий с
выбросами и образованием облаков ГПВС в 40% случаев облака состояли
из углеводородов с 3 или 4 атомами углерода. Пропан, бутан и их
смеси, а также сжиженный нефтяной газ участвовали в авариях в
три раза чаще, чем пары бензина. С учетом объемов выработки этих
продуктов промышленностью получается, что вероятность аварий,
связанных с углеводородами, примерно в 30 раз больше, чем с
бензином (в расчете на тонну продукта).
Что же касается метана, широко используемого в
промышленности, то считается установленным, что этот продукт в неограничен-
214

ном пространстве взрывается весьма редко, поскольку он не
образует стабильных облаков вблизи поверхности земли. Его детонация
возможна в ограниченных объемах в результате разлития и
воспламенения, а также при инициировании взрывом заряда ВВ.
Детонация смеси водорода с воздухом происходит при
инициировании взрывом всего одного грамма тротила, что меньше, чем тре1
буется для инициирования углеводородов, включая метан.
Детонационную волну в газах представляют как ударную волну,
сопровождаемую волной горения. В отличие от дефлаграционного,
данный процесс связан с разогревом газа ударной волной до
температуры, обеспечивающей высокую скорость реакции и скорость
распространения пламени со скоростью ударной волны.
Учитывая высокую скорость детонации (тысячи метров в
секунду) сформировавшееся при быстром испарении облако ГПВС в
целях расчета считают неизменным за весь период распространения
фронта волны до внешней границы облака, схематизируемого
полусферой радиуса г0 с центром на поверхности грунта (рис. 13.9),
совмещенным с источником инициирования. Давление на фронте
детонационной волны в газовых смесях может достигать 2 МПа, а
при взаимодействии с конструкциями в помещениях вследствие
многократных отражений — доходить до 10 МПа.
Параметры детонационной волны в процессе распространения в
пределах облака существенно не меняются. При выходе за пределы
границы облака расширяющиеся продукты детонации (ПД)
возбуждают воздушную ударную волну.
Поскольку при выбросах не все количество жидкого продукта
переходит в облако, к расчетному значению массы продукта вводят
коэффициент v < 1. На рис. 13.9 схематически показано изменение
максимума давления по координате при взрыве ГПВС в сравнении
со взрывом заряда конденсированного ВВ.
Для расчета поражающего действия взрывов ГПВС определяют
параметры детонационной волны расширяющихся ПД и воздушной
ударной волны.
Начальный радиус г0 , м, полусферического облака ГПВС в
зависимости от его объема У0, м3, определяют по формуле
г0=^щ]Щ. (13.42)
Поскольку согласно закону Авогадро киломоль \хт идеального
газа занимает объем Va = 22,4 м3, для газовой смеси стехиометриче-
ского состава с объемной концентрацией Сстх и молекулярной мас-
215

сой |иг горючей компоненты массы Св запишем приближенную
формулу для объема облака
У0=Уа»Св/(|агСста). (13.43)
Значение коэффициента & принимают в зависимости от способа
хранения продукта: А = 1 — для газов при атмосферном давлении;
0,5 — для газов, сжиженных под давлением; 0,1 — для газов,
сжиженных охлаждением; 0,02...0,07 — при растекании
легковоспламеняющихся жидкостей.
Рис. 13.9. Схема взрыва ГПВС и
изменения давлений ЛР по
координате R: 1 - область облака ГПВС с
радиусом Tq , 2 - зона разлета ПД и
воздушной ударной волны ( R > Tq ),
3 - изменение давлений для взрыва
ГПВС, 4 - изменение давлений для
взрыва заряда конденсированного ВВ
При взрыве детонационная
волна распространяется со скоростью D, м/с, (Qm — теплота
взрыва, Дж/кг)
D = )/2(y2 " l)<?m •
(13.44)
т.е. время полной детонации облака tg, с, равно
te=r0/D. (13.45)
Максимум избыточного давления на фронте детонационной
волны (химический пик)
A4'=4(Y-l)OmPcTx-^o-
Через весьма малый интервал времени т давление в
детонационной волне уменьшается в два раза (так называемая точка Жуге)
АР2=2(у-1)(?трста-Р0=рстаХ>2/(у + 1)-Р0- (13-46)
Время т порядка десятков микросекунд — длительность
превращений в зоне химической реакции, т.е. перехода от адиабаты
исходного вещества к адиабате продуктов детонации.
Изменение избыточного давления во времени для детонационной
волны на расстоянии R < г0, м, от центра взрыва аппроксимируют
треугольником (рис. 13.6, линия 2)
216

AP(t) = AP2(l - t/Q) (0<t<Q) (13.47)
с эффективным временем действия 0, с.
При наличии плоской вертикальной преграды давление
нормального отражения ЛР0ТР при R < г0 определяется по формуле
АР0ТР = 2,5ДР2.
Характеристики распространенных газо- и паровоздушных смесей
приведены в табл. 13.6, где приняты обозначения: ДР2 - избыточное
давление детонационной волны (эффективное давление),
у -показатель адиабаты продуктов детонации, рстх - плотность,
От.стх. и Qv.ctk " теплота взрыва единицы массы и единицы объема
смеси, а индексом "стх" помечен стехиометрический состав.
Параметры ударной волны на расстояниях, превышающих
начальный размер облака R > г0, м, определим по формулам,
аппроксимирующим численное решение задачи о детонации пропа-
но-воздушной смеси (Б.Е.Гельфанд и др., 1985). Решение получено
интегрированием системы нестационарных уравнений газовой
динамики в сферических координатах в переменных Лагранжа.
Использованы достаточно реалистичные уравнения состояния исходной
смеси, продуктов детонации и соотношения для скорости
реагирования смеси в зоне реакции.
Полученные универсальные зависимости максимума
эффективного избыточного давления АРт, Па, и удельного импульса I, Па-с, в
ударных волнах от расстояния R до центра взрыва в энергетических
координатах удовлетворительно согласуются с экспериментальными
данными для горючих смесей углеводородов с воздухом или
кислородом (рис.13.10), независимо от состава смеси:
ДРт = Р0Р, (13.48)
lgP = 0,65 - 2,18lgR + 0,52(lg Л)2, R = дД/^ , (13.49)
1 = 1 з/^, (13.50)
lg7 = 2,ll-0,971gi? + 0,44(]g/i)2. (13.51)
Здесь гат - тротиловый эквивалент наземного взрыва
полусферического облака ГПВС, кг,
mT = 2mQmCTX/QT , (13.52)
т = Рстх^о ~" масса горючего облака, кг; QT - теплота взрыва
тротила (принята 4,184-Ю6 Дж/кг); Р0 - атмосферное давление, Па.
217

Таблица 13.6. Характеристики газопаровоздушных смесей
Горючий
компонент
1 Аммиак СНз
Ацетилен С2Н2
Бутан С4Н10
Бутилен C4Hg
Винилхлорид
C2H3CI
Водород Н2
Дивинил С4Нб
Метан СН4
Окись углерода СО
Пропан C3Hg
Пропилен СзНе
Этан СгНе
Этилен С2Н4
Ацетон СзН^О
Бензин авиацион.
Бензол СеЩ
Гексан СбН14
Дихлорэтан
С2ЩС12
Диаэтиловый эфир
С4НюО
Ксилол CgHio
Метанол СН40
Пентан С5Н12
Толуол C7Hg
Циклогексан СеН^
Этанол С2НвО
D,
м/с
1630
1990
1840
1840
1710
1770
1870
1750
1840
1850
1840
1800
1880
1910
-
1860
1820
1610
1830
1820
1800
1810
1830
1770
1770
Рстх,
кг/м3
ч/т,стх »
МДж/кг
ч/у,стх »
МДж/мЗ
Газовоздушные смеси
1,180
1,278
1,328
1,329
1,400
0,933
1,330
1,232
1,280
1,315
1,314
1,250
1,285
2,370
3,387
2,776
2,892
2,483
3,425
2,962
2,763
2,930
2,801
2,922
2,797
3,010
2,791
4,329
3,684
3,843
3,980
3,195
3,967
3,404
3,750
3,676
3,839
3,496
3,869
Паровоздушные смеси
1,210
1,350
1,350
1,340
1,490
1,360
1,355
1,300
1,340
1,350
1,340
1,340
3,112
2,973
2,937
2,797
2,164
2,840
2,830
2,843
2,797
2,843
2,797
2,804
3,766
3,770
3,966
3,748
3,224
3,862
3,834
3,696
3,748
3,838
3,748
3,757
Ycrx
Иг
1,248
1,259
1,270
1,260
1,260
1,248
1,260
1,256
1,256
1,257
1,259
1,257
1,259
17
26
58
56
63
2
54
16
28
44
42
30
28
1,259
-
1,261
1,261
1,265
1,261
1,259
1,253
1,258
1,260
1,248
1,256
42
94
78
86
99
74
106
32
72
92
84
| 46
г
°СТХ '
об.%
19,72
7,75
3,13
3,38
7,75
29,59
3,68
9,45
29,59
4,03
4,46
5,66
6,54
4,99
2,10
2,84
2,16
6,54
3,38
1,96
12,30
2,56
2,23
2,28
| 6,54
АР2, 1
МПа
1,29
2Д4
1,88
1,89
1,71
1,20
1,96
1,57
1,82
1,89
1,87
1,69
1,91
1,85
— |
1,96
1,86
1,60
1,91
1,89
1,77
1,84
1,90
1,77
1 1,76
Для сшивания параметров на границе облака величина г0
заменяется на близкое значение jR0, определяемое из условия
непрерывности функции APm(Rj в точке R = RQ :
R0 = 10a*fa, а = Я, - J К? - А,
Кх = 1,09/0,52, А - 1,25 - lg(AP2/P0)/0,52.
Значение импульса при R< i?0 принимается равным IyRo) из
(13.50).
218

Эффективное время 6, с, действия фазы сжатия ударной волны с
давлением, аппроксимируемым треугольником AP(f) = APm(l- t/Q),
определяется по формуле
Q = 2I/APm. (13.54)
Зависимости Р(я) и i(r) согласно (13.49), (13.50) приведены
на рис. 13.11!
1
200
100
40
20
10
/^Пас/кг1'3 "7 \
\г
V
%
о
Li i_
• 3
О 4
С4 О 6
V
Ч Р
оЧ
—i—i 1 -
0,4 12 4 ЮД^н/кг"»
,Р,Ш/кг'/а
Рис. 13.10. Зависимость
приведенного импульса от
приведенного расстояния при взрывах
пропановоздушной (1, расчет),
ацетиленовоздушной (6) смесей
и смесей с кислородом метана
(2), ацетилена (3), этилена
(4) и водорода (5)
Рис. 13.11. Изменение давления
и импульса взрыва ГПВС с
расстоянием в энергетических
координатах согласно
соотношениям (13.49), (13.51)
'0,4.0,5 1 2 3 4 Я^м/кг1" 10
Пример. Взрыв облака ГПВС, образованного при разрушении
резервуара с 106 кг сжиженного пропана. Исходные данные:
Св=106кг; 3=0,5; 0^=4,03%; QmiCra=2,801106 Дж/кг; цг=44;
у=1,257; 9(^=1,315 кг/м3; Р0=1,013-105 Па.
Объем ГПВС по формуле (13.43)
V0 = 22,4 • 0,5 • 106/(44 • 0,0403) = 6,316 • 106 м3.
Параметры детонационной волны
219

D = J2(l,2572 -l) • 2,801 • 106 - 1,8 • 103 м/с,
AP2 = 1,315 • (l,8 • 103)2/(l,257 +1) - 1,013 • 105 = 17,9 • 105 Па.
Параметры ударной волны при R > г0 определим по формулам
(13.48)...(13.54):
масса газового облака
т = 1,315 • 6,316 • 106 = 8,31 • 106 кг;
тТ = 2 • 8,31 • 106 • 2,801 • 106 /(4,184 • 106) = 1,11 • 107 кг;
А = 1,25 - lg(l7,9 • 105/1,013 • 105)/о,52 = -1,149 ;
Ki = 2,096; а = 2,096 - д/2,0962 + 1,149 = -0,258;
R0 = ю-0-258 ^/l,lM07 = 123 м;
R0 = 12з/^1,1 МО7 = 0,551 м/кг^З;
удельный импульс на расстоянии i?0:
lg 70 = 2,11 - 0,97 lg 0,551 + 0,04(lg 0,55l)2 = 2,364;
J0 = 231 Па-с/кг1/3; I0 = 231^1,11 107 = 5,15• 104 Пас;
эффективное время фазы сжатия
90 = 2 • 5,15 • 104/(l7,9 • 105) = 0,0575 с.
Определим параметры ударной волны на расстоянии Д=200 м от
центра взрыва (R > R0):
R = 200/^1,11-107 = 0,897 м/кг1^;
lg Р = 0,65 - 2,18 lg 0,895 + 0,52(lg 0,897)2 = 0,754;
р = Ю0754 = 5,675; АРт = 1,013 • 105 • 5,675 = 5,76 • 105 Па;
lg I = 2,11 - 0,97 lg 0,897 + 0,04(lg 0,897)2 = 2,156;
I = Ю2156 = 143,2; / = 143,2^1,11 107 = 3,19• 104 Пас;
6 = 2- 3,19 • 104Д5,76 • 105) = 0,11 с.
Зависимости AP(il) и l{R) приведены на рис. 13.12.
220

Рис. 13.12. Зависимости AP(R) и
I(R) к расчету взрыва пропано-
воздушного облака при разливе
1000 т сжиженного пропана
Г \^238^МПа^~
I i i г i i =1—^_
0 200 400 600 800 1000 #,М
13.2.2. Тепловое излучение огненного шара
При аварийном вскрытии газопроводов и емкостей, разлитиях
углеводородов и их испарении облако ГПВС, переобогащенное
топливом, не детонирует, а интенсивно горит, образуя огненный шар.
Большая вероятность такого процесса обусловлена также тем, что
для большинства углеводородов концентрационные пределы
воспламенения их ГПВС шире, чем детонации.
Поражающее действие огненного шара определяется
интенсивностью его теплового излучения.
Возникновение огненных шаров возможно при разрушениях
резервуаров и сосудов с горючими жидкими перегретыми продуктами
(сжиженные углеводородные газы, аммиак, хлор, фреоны,
содержащиеся в замкнутых объемах при повышенном давлении).
При разрушении системы с перегретой жидкостью происходит ее
разлив и быстрое испарение. Взрывной характер процесса
объясняется кратковременностью аварийного вскрытия сосудов, резервуаров
и другого оборудования, содержащих продукт под давлением.
Например, время Тк полного разрушения сосуда объемом V=100 м3 при
давлении 1 МПа составляет примерно 7 мс.
Время т0, с, образования парового облака можно определить по
формуле
т0 * 0,78 3/v(fc-n-l)/a ,
где V — объем жидкого продукта, м3; п = рсж/р — отношение
плотностей жидкости и парового облака при его расширении до
объема с предельным радиусом Лс, соответствующего атмосферному
давлению; а — скорость звука, м/с, с которой смещается внешняя
\АР,1
221

граница облака до значения Rc = а • т0, м; к — доля быстро
испаряющейся жидкости в адиабатическом режиме при температуре Т
(рис.13.13).
Например, для V=100 м3 сжиженного под давлением пропана
п=582/1,3=448; при Г=20°С fc=0,38; a«300 м/с
т0 = 0,78 3/100(0,38-448-1)/300 = 0,067 с.
Время т0 почти на порядок больше времени разрушения сосуда т^.
К| 1
Рис.13.13. Зависимость к(Т) для сжиженных
этилена (1), пропана (2), хлора и аммиака
(3), бутана (4)
20 0 20 ГС
Обычно огненный шар весьма быстро
достигает максимума своего радиуса i?o,
который сохраняется в течение всего времени существования шара.
В ряде работ, цитируемых Бейкером, приведены следующие
подтвержденные опытами формулы для радиуса Rq, m, и времени
существования ts, с, огненного шара
До^^М", ts=A2M^ (13.55)
где М — масса испарившегося продукта, кг; А\, А<±, а, Р —
коэффициенты.
Для различных энергоносителей (боеприпасы, жидкие ракетные
топлива, сжиженный нефтяной газ — СНГ) значения
коэффициентов достаточно близки:
Ai=3,76...3,86; Л2=0,258...0,299;
а=0,325... 0,320; р=0,349... 0,320.
Для нефтяного газа эти данные соответствуют огненному шару
диаметром 180 м, образовавшемуся при разливе 68 т сжиженного
газа при аварии автоцистерны.
Зависимость изменения приведенного радиуса R от
приведенного времени i удовлетворительно аппроксимируется выражением
R = 44,3*7(1,11 + *), (13.56)
r = r*[q/m, i = w-l0t ^/е10/м,
где время t — в с, температура 0 — в К, масса М — в кг.
Температура 0 огненного шара зависит от типа вещества. Так,
при горении ракетных топлив 6«2500 К, горючих газов 6«1350 К.
222

Для небольших огненных шаров, образуемых при взрывах
пропана, пентана и октана в воздухе (М<10 кг) японскими
экспериментаторами получены значения констант А2=1,07, р=0,181 в
формуле для ts.
Поражающее действие теплового излучения определяется
тепловой энергией, приходящейся на единицу поверхности на конкретном
расстоянии г от центра огненного шара'. Зависимость величины
теплового потока q, Вт/м2, от расстояния г, м, дается соотношением
где F= 161,7; G=5,2610"5 - константы.
Величина тепловой энергии (доза или импульс теплового
излучения), падающей на единицу поверхности Q, Дж/м2, определяется
интегрированием функции для q. Принимая 7?о и 6 за константы,
получено (Ь-С=2,04104)
,0 = (2Д°/Г)2г. (13.58)
ЪСУМ-в2 F + (2Ro/ry
По методике Доу Кемикл Компани (Dow Chemical), США,
данные по огненному шару от сгорания ГПВС при выбросах
сжиженного нефтяного газа из емкостей следующие.
Радиус огненного шара jRq, m,
R0 =29М1/3, (13.59)
время его существования ts, с,
ts =4,5М1/3, (13.60)
где М — половина вместимости емкости по массе, т.
При наличии группы из трех резервуаров за величину М
принимается 90% вместимости.
Поток излучения q, кВт/м2,падающий на мишень, определяется
по формуле
q = EFTp, (13.61)
где Е — мощность поверхностной эмиссии огненного шара, кВт/м2,
F — коэффициент, учитывающий фактор угла падения, Тр —
проводимость воздуха. Для баллонов, вертикальных и горизонтальных
резервуаров Е=270 кВт/м2, для сосудов шарообразной формы
£=200 кВт/м2.
Коэффициент F и проводимость Тр определяются по формулам
223

Rlrl
К+г2)
3/2
Tp =1-0,058 In г, (13.62)
где г>2/?о — расстояние по горизонтали от хранилища СНГ до
мишени.
Импульс теплового излучения Q, кДж/м2, определяется по
формуле
Q = qts. (13.63)
Например, при аварийном вскрытии вертикального резервуара
емкостью 100 т и г = 300 м имеем:
R0 = 29 • (100/2)1/3 = 107 м, ts = 4,5 • 501/3 = 16,6 с;
F = 1072 • 300/
(l072 + 3002)
3/2
= 0,106,
Тр = 1-0,0581п300=0,67.
Поток излучения q = 270 • 0,106 • 0,67 = 19,2 кВт/м2, доза
(импульс) теплового излучения Q = 19,2 • 16,6 = 317 кДж/м2.
При вскрытии резервуара емкостью 1000 т и г=600 м получим:
Д0=230 м; ^=35,7 с; F=0,12; Гр=0,629; д=20,4 кВт/м2;
(?=728,3 кДж/м2.
На рис. 13.14 приведена зависимость от расстояния величины
светового импульса в результате сгорания пропано-воздушной смеси
от разлива 1000 т жидкого пропана.
Воспламенение различных материалов зависит от теплового
импульса и его длительности. Минимальная величина импульса,
вызывающего воспламенение древесных материалов, составляет
примерно 0,4 МДж/м2. Как видно из табл. 13.7, величина
воспламеняющего импульса растет вместе с его длительностью, т.е. с мощностью
взрыва. В табл.13.8 приведены данные о действии теплового
излучения на различные остекления.
Болевой температурный порог для кожи человека соответствует
температуре ГП«44°С. При Т>Тп степень поражения зависит от
удельной энергии Q и длительности облучения т. Считается, что без
болевых ощущений кожа выдерживает тепловой поток
интенсивностью <7«21 кВт/м2 в течение 2 с. При стационарном потоке этим
данным соответствует ()«42 кДж/м2. Предельно безопасный радиус
Re (по В.Маршаллу — радиус эвакуации) для человека
составляет - (3,1...3,6)Я0-
224

Для промышленных аварий характерны следующие параметры
огневого шара: М~50 т, Д~100 м, £5~14 с.
При взрыве зарядов бризантных ВВ с поверхности фронта
ударной волны перед ним идет поток излучения аТф , где а —
постоянная Стефана-Больцмана, Тф — температура за фронтом волны.
Таким образом ударная волна распространяется по нагретому газу и
температура на фронте волны выше, чем дают соотношения
(13.19), (13.24). Температура прогрева перед фронтом Тр
пропорциональна величине Тф, т.е. быстро растет с давлением АРф.
Однако при умеренных давлениях (АРф < 10 МПа) описанным
эффектом можно пренебречь, принимая для температуры зависимость
(13.19).
При ядерном взрыве разогретая до нескольких десятков миллионов градусов
масса вещества боеприпаса излучает большое количество энергии в виде
рентгеновских лучей, поглощаемых воздухом. Нагретые газообразные продукты взрьша
и воздух образуют огненный шар — ярко светящуюся шарообразную область,
увеличивающуюся в размерах и поднимающуюся вверх со скоростью до 100 м/с.
Яркость огненного шара ядерного взрыва остается постоянной, независимо от
мощности взрыва.
Тепловое воздействие на объекты связано со световым излучением огненного
шара. Согласно закону Огефана-Больцмана суммарная величина светового
импульса Ps, Вт, зависит от температуры T(t), К,
Ps = InRJaT4,
где RF — радиус огненного шара, м; <т=5,67Ю8 Вт/(м2К4) — константа.
Здесь Ps и Г являются функциями времени, причем максимум Psm = -Ps(^m)
в момент времени tm при воздушном взрыве определяется в зависимости от
мощности взрьша W, кт, (длительность светового импульса % « Ю£т )»
PStm » 1,674 • 1013 Vw , tm= 0,032 VW .
Изменение выделяющейся энергии со временем E(t) определяется
интегрированием функции Ps(i) по времени, причем общая световая энергия, выделяемая
при воздушном ядерном взрыве £0бщ« %W (кт) = 1,395 • 1012W , Дж.
Обезразмеренные функции времени Р = Ps/Psm(t/tm), E =E/Eo6m(t/tm)
для воздушного ядерного взрыва приведены на рис. 13.15.
Световой импульс д, Вт/м2, действующий на единицу площади на расстоянии
R, определяется делением Ps на величину поверхности сферы S = 47C.R с учетом
потери энергии от различных факторов
8 — 1087
225

q = KPjS = KoT4(RF/R)2 .
Здесь К — коэффициент пропускания, учитывающий потери энергии в
зависимости от расстояния и прозрачности воздуха. При видимости 80 км значения К
таковы:
Д, м
К
160
0,97
480
0,93
1120
0,90
3200
0,82
11000
0,7
Дозу теплового излучения Q, Дж/м2, на расстоянии R можно подсчитать
делением ^0бщ на поверхность 5 с учетом коэффициента К
Q-KE^S-IM-WKW/S*.
При наземном взрыве W следует умножить на 2. Однако при таком взрыве
количество световой энергии, достигающее объекта, составляет 0,5...0,75 от
энергии воздушного взрыва. Поэтому приведенные выше формулы пригодны без
изменений и для наземного взрыва.
Пример. При взрыве мощностью W==500 кт максимум светового импульса
psm = 1,674 • 1013 V500 = 3,74 • 1014 Вт при tm = 0,032л/б00 = 0,715 с,
длительность импульса т « 7,15 с. Общая световая энергия ^0бщ=
= 1,395 • 10 • 500 = 6,975 • 10 Дж. Доза теплового излучения, например, на
расстоянии 15 км (? = 1,11-1011 • 0,7 • 500 / 150002 = 1,73 -105 Дж/м2.
С помощью графиков рис.13.15 легко построить размерные функции Ps(t),
E(t), и q(t). Так, в момент времени tj=2 с имеем:
t; = tjtm = 2/0,715 = 2,8; Ц = 0,26; Bt = 0,58;
.и _,
^13
Pd = pi ' pSim = 0,26 • 3,74 • 10li = 9,724 • Ю10 Вт;
Et = Щ -Еовщ = 0,58 • 6,975 • 1014 = 4,05 • 1014 Дж;
на расстоянии 15 км
qt = 0,7 - 9,724 • Ю13/^ • 150002) = 2,41 • 104 Вт/м2.
гй,МДж/м2
1 ' 0,8
0,6
0,4
0,2
Ш
Щ
И
7
eJ
\p_
О 40O 800 Л. v
Рис. 13.14. Зависимость светового
импульса от расстояния при
сгорании пропано-воздушной
смеси от разлива 1000 т жидкого
пропана
0 2 4 6 8 t/tm
Рис. 13.15. Зависимость
безразмерных светового импульса, и
доли энергии светового
излучения от времени
226

Таблица 13.7. Импульсы теплового излучения, МДж/м ,
длительностью т, вызывающие воспламенение материалов
Материал
Древесина сухая (сосна)
Доски после распиловки (сосна,ель)
Доски, окрашенные в темный цвет
Кровля мягкая (толь, рубероид)
Черепица красная (оплавленная)
Стружка, солома, сено, бумага темная
Ткань вискозная черная
Ткань хлопчатобумажная коричневая
| Сукно серое, брезент, кожа коричневая
т, с 1
1,56
0,58
1,67
0,21
0,54
0,84
0,12
0,04
0,29
0,62
3,16
0,67
1,76
0,25
0,59
1,05
0,17
0,05
0,33
0,07
8,71
0,88
1,88
0,33
0,67
1,26
0,21
0,08
0,42
0,84
24,0 1
1,00
2,10
0,42
0,84
1,67
0,25
0,09
0,50
1,26
Таблица 13.8. Состояние стекла при потоке излучения,
кВт/м2, и трех значениях температуры
Стекло
Обычное
Закаленное
400°С
3,5
14,0
1000°С
5,25
14,0
1800°С
7,0
14,0
Состояние стекла 1
Растрескивание 1
Деформаций нет
С пленочным покрытием теплозащитное со светопропусканием 80%: 1
незакаленное
закаленное
5,25
14,0
5,25
14,0
3,5
14,0
Растрескивание
Деформаций нет
Окрашенное в массе теплозащитное со светопропусканием 40%:
незакаленное
| закаленное
3,5
14,0
3,5
14,0
7,0
14,0
Растрескивание
Деформаций нет
13.2.3. Программа GVSF
Методика расчета параметров процессов при детонации ГПВС и
быстром сгорании (дефлаграции) ГПВС в открытом пространстве с
образованием огненного шара запрограммирована для ПЭВМ.
Программа GVSF проводит расчет по обоим указанным сценариям для
заданного числа пространственных точек на различных расстояниях
от центра облака ГПВС. В результате счета выдаются значения
максимумов избыточных давлений и удельных импульсов (для
детонационного сценария), а также параметры теплового потока и дозы
теплового излучения.
В зависимости от соотношений давления, импульса взрыва и до-
8*
227

зы теплового излучения в конкретных точках программа
анализирует вероятный ущерб при воздействии на конкретные объекты и
возможную степень поражения людей на соответствующих
расстояниях. Подробно методика оценки степени риска повреждений
различных объектов и поражения людей при взрывах рассмотрена в гл. 16
и 21.
13.3. Взрывное горение ГПВС
в производственных помещениях
13.3.1. Фронтальное (послойное) горение
Горение ГПВС в закрытых (герметичных) помещениях от
точечного источника зажигания происходит послойно с дозвуковой
скоростью распространения пламени при повышении давления во всем
объеме, поскольку границы помещения не дают возможности
расширяться продуктам горения (ПГ). Выделяющееся при сгорании
тепло переходит во внутренюю энергию газа. При отсутствии оттока
тепла через стены к концу полного выгорания среднее значение
температуры TBv в помещении равно
TBv=T0+Q-a0/Cv (13.64)
где Т0 — начальная температура, Q — тепловой эффект реакции,
а0 - концентрация горючего, Су - теплоемкость при постоянном
объеме.
Для примера, при y=l,4=const для двухатомных молекул,
7о=300 К, Су=5 кал/(моль-К), Q-a0 =14000 кал/моль
температура TBv=3100 К. При горении в свободном пространстве при
СР=1 кал/(моль-К) температура ТБ=2300 К.
Приведем основные соотношения для случая горения ГПВС в
замкнутом объеме, следуя Я.Б.Зельдовичу, Г.И.Баренблатту и др.
Предполагается, что теплоемкости исходного и сгоревшего газов
одинаковы и постоянна по объему и во времени, т.е. не зависят от
температуры. При этом давление в помещении линейно зависит от
доли г| сгоревшей смеси
Р = Р0[1 + (б - 1)ц], 8 = Рв/Р0 = TBv/T0 , (13.65)
где Pq — начальное давление (при 11=0), Рв — конечное давление
(прит1=1).
228

При распространении пламени с дозвуковой скоростью (см.
табл.13.9) происходит адиабатическое поджатие несгоревшей части
газа, но давление выравнивается по всему объему (со звуковой
скоростью). Объем Т^еще не сгоревшей части газа 1-rj, поджатый до
давления Р' по уравнению адиабаты равен (V0-объем помещения)
Vi(tO = (1 - цЩР0/Р')1/у = У0(1 - ri)[l + П(е - 1)]"V7 , (13.66)
а температура
Г, = Т0(Р'/Ъ)Ь-М = Г0[1 + П(в - 1)](Y~1)/Y • (13.67)
Температура продуктов горения, оттекаюпцсс от фронта пламени
при давлении Р'
Т = Г0{[1 + ii(s - 1)]^ + (в - 1)/у|. (13.68)
Таблица 13.9. Максимальные значения нормальной скорости
горения ин газовоздушных смесей при объемной
концентрации (Хщ и стехиометрического состава ц^
(К.К.Андреев и А.Ф.Беляев)
Горючее
Водород
Ацетилен
Этилен
Сероуглерод
Пропилен
Окись углерода+1,2% НгО
Бензол+0,5% Н2
Этиловый эфир
Метан
Циклогексан
н.Пентан
н.Гексан
[Ацетон
ц„, м/с
2,67
1,31
0,63
0,485
0,435
0,415
0,385
0,375
0,37
0,35
0,35
0,32
1 0,318
Mm. 0б.%
42
10
7,0
8,2
4,8
53
3,0
4,5
10,5
2,5
2,9
2,5
6,0
•Ист» Об-% I
29^5
7,7
6,5
6,5
4,5
29,5
2,7
3,4
9,5
2,3
| 2,6
2,2
5,0
/
При дальнейшем сжатии от давления Р' до давлепия Р
температура в ПГ достигнет значения
229

T = Tr
(т-1)/т
s-lf P
ro;
(y-i)/y
(13.69)
Экстремальные значения температуры в ПГ в точке зажигания
(Ттах) и у стенки (Тщ^) в течение всего процесса горения
Tmsx=T0^~1^[l + (s-i)/y], (13.70)
■Lmin — -Lfi
8(y-i)/y+(8_1)/y]<
(13.71)
Например, при 7о=300 К, 6=10, у=1А, Су=Ъ кал/(моль-К),
Ср=7 кал/(моль-К), Q-a0 =14000 кал/моль получим Тд =2300 К,
7^=3220 К, Гтах=4300 К, 7^=2510 К.
Для определения изменения параметров газа во времени
необходимо знать закон выгорания горючей смеси, задавшись формой
помещения. Ниже рассмотрен случай горения в сферическом объеме
при центральном зажигании. При этом форма фронта пламени
также будет сферической в течение всего процесса горения.
Объем Vj сферы ПГ с радиусом гДг|) равен
У1-!+о-гЛл)], r0=(fV0/*)1/3,
где г0 — радиус емкости.
Из( 13.66) и (13.72) имеем
и изменяющаяся со временем поверхность фронта пламени в
зависимости от доли выгоревшей смеси
5 = 4nr} = 4ttt02{i - (1 - <n)[l + (e - \)п]~1/У } . (13.74)
Зависимость массовой скорости горения га на единицу
поверхности фронта пламени от давления Р и температуры Г} принимают в
виде
т = ЬРи/2ехр(рГ1), (13.75)
где Ъ — коэффициент размерности, п — суммарный порядок
химической реакции в пламени, р — температурный коэффициент скорости
пламени. При мономолекулярной реакции горения п=1, при
бимолекулярной реакции п=2.
Закон выгорания горючей смеси во времени
(13.72)
(13.73)
230

M^ = m(p,Tl)s(t),
(13.76)
где М — полная масса горючей смеси.
Из соотношений (13.65)...(13.67), (13.76), (13.75), (13.74)
получено уравнение для изменения во времени давления в объеме
P/Po=f{*)
М d P
8-1 dt Р,
^ЧГ"
( PW2
о
хехр
РГ0
г р\(у~1)/у
\poJ
1-
U
-1/Г
8 - Р/Р0
2/3
(13.77)
Это выражение запишется в виде интеграла
1
Л-и/2
l_(p.)-VTlzZl'
i-2/З
ехр
-РГ0(Р')('
у-1)/у
ИР', (13.78)
где ? = 47cr026fP0"/2(s-l)/M, Р = Р/Р0, Р = 1...е.
По давлению Р определяют г|(£), а затем 7y(f) по формулам
(13.65) и (13.73).
Для определения температурного поля в ПГ вводят лагранжеву
координату § (г - эйлерова координата)
— J 4rcr2pdr, <#; = 4яг2р dr/M ,
(13.79)
причем § = г\, при г = 7у .
Плотность ПГ р в зависимости от £ при 0 < г < ту из
(13.69),(13.65) и уравнения состояния Р = pRT
_Р_
Ро
/ \J/Y г л-1
=liJ {i+^Mg-^r(7~1)/Y} • <1з-8°)
Из соотношений (13.80),(13.79), М = ~7сг0р0, интегрируя от
£=0 и г=0 до текущих значений этих координат, получена
зависимость £(г) при давлениях Р
fe)4i)V(e-^Vr+H {о *ии'о-!)]/(*-!)}• (13-81)
231

В несгоревшем газе температура одинакова по пространству и
определяется в зависимости от Р по адиабате.
Последовательность расчета температуры такова. По давлению
P(t) находят г\ по формуле (13.65). Для координат ^ в интервале
0<££<г| определяют P(Z,i) по (13.65) и температуру ^(^) по
(13.69). Затем от ^ переходят к xt по формуле (13.81).
Законы изменения давления и температуры в плоских и
цилиндрических помещениях отличаются от приведенного рассмотрения
несущественными деталями.
На рис. 13.16 приведена зависимость P(i), полученная
численным интегрированием уравнения (13.78) при рг0 = 1,5, s = 10,3.
Для перехода к размерным величинам следует воспользоваться
формулами: АР = Р - Р0 = Р0(Р - l),
t = tM/KT , Кт = 4тсг02Ьд/^Г(8 - 1).
Оценку для коэффициента Ъ можно
получить по значениям давления Р0,
плотности ро и температуры % холодной горючей
смеси (P-l^/T^K1)
Ь«^нРо/[^/2ехр(рт0)].
Например, при М—239 кг, го=3,58 м, п=1,
Ь=4,6410"4 (кг/м3)1^, р0=Ю5 Па
получаем Кт = 220,4 кг/с и по графику
рис.13.16 при i = l, Р = 10, f = l,l с,
АР = 9 • 105 Па.
р
8
6
4
?
0
0
2 0.
4 0
6 0
1—г
Рис.13.16. Зависимость
p(t) при послойном
горении в герметичном
помещении
13.3.2. Условия перехода к объемному горению
в помещениях
Адиабатический нагрев газа в закрытом объеме иногда приводит
к объемному горению вблизи стен и образованию газодинамической
волны с давлением, превышающим максимум давления при
фронтальном горении.
Условия возникновения объемного горения и соответствующее
состояние газа рассмотрены В.И.Водяником и др. на основе теории
Я.Б.Зельдовича, причем для фронтального горения использованы
232

уравнения
dP
л = ^(а + 1)(у - l)PoQ(P/P0)V\x/L)a, Pt=0 = Р0,
v =
XQ
Cvy(TB-T)
К0 exp -
E
RTn
1/2
7
1
Pq+(y-i)poQ-p
(y-i)po<?
vJ°o
JP^
l/(l+a)
(t-i)/t
(13.82)
(13.83)
(13.84)
где v — нормальная скорость фронта пламени, х — координата
фронта пламени, L — характерный размер помещения, константа
а=0, 1 или 2 для плоского, цилиндрического или сферического
пламени, KQ — предэкспоненциальный параметр, Е — энергия
активации, R — универсальная газовая постоянная, А, —
температуропроводность газа, Тв — постоянная.
Максимум давления при послойном горении
Рт1 = Р0 + (у - l)poQ при х = L. Эти формулы выполняются до
момента времени, в который произойдет самовоспламенение в
пристеночной области по условию
тИ*Пт)"-*-1
ДГ,
т. = т0
р.
(r-i)A
(13.85)
где индексом * помечены параметры в момент самовоспламенения.
Максимум возможного локального давления в волне равен
-i-(y-i)/y1
l + (y-l)T-Q\ \- (13.86)
Рт<> — Рт
гт2
mil
Ро
М)
Волна уплотнения возникает, если размер помещения L
находится в пределах Lftp min < L < L2, причем минимальное критическое
значение определяется по формуле (а0 - скорость звука при
температуре Т0)
,(а + 1)(Т,/Т0)5/2
ьЛр,шш
т. = т0
(1-т|/)Я0ехр(-£/(Д7;))
■т\
(у-1)/у
(13.87)
(У-if
r*J
(1 + a)vj/(l - av|/)p0Q,
233

= рГ02^(у -1) та± (y = const)) ^^^„„«««(l + o)-1-.(13.88)
EQ(a +1) v
Величина L2 может достигать нескольких десятков метров.
13.3,3. Легкосбрасываемые конструкции для снижения
аварийных взрывных нагрузок в промзданиях
В помещениях взрывоопасных производств в целях снижения
возможного ущерба от аварийных взрывов применяют легкоразру-
шаемые или легкосбрасываемые конструкции (ЛСК). К числу
первых относится остекление, разрушение которого обеспечивает
практически мгновенное вскрытие помещения при минимальном ущербе.
Ко второму типу относятся поворотные остекленные переплеты,
стеновые панели и плиты покрытий, разрушение которых
происходит в течение некоторого промежутка времени. В процессе
"срабатывания" ЛСК и истечения продуктов сгорания из помещения
происходит снижение нагрузок на конструкции, что приводит к
значительному уменьшению ущерба от аварийного взрыва.
Методы расчета нагрузок на строительные конструкции зданий
взрывоопасных производств при аварийных взрывах внутри
помещений с учетом срабатывания ЛСК разработаны Г.Г.Орловым,
Л.П.Пилюгиным и др.
На рис.13.17...13.22 приведены значения взрывных нагрузок
газовоздушных смесей на ограждающие конструкции помещений
различного объема Vq в зависимости от площадей ЛСК. Относительную
площадь (коэффициент вскрытия) ЛСК в виде остеклений,
необходимую для обеспечения допускаемого избыточного давления АРД0П *
мояшо определить по графикам рис.13.23.
АЛ КПа
Рис.13.17. Изменение со временем давлений
на ограждающие конструкции помещений
объемом Уо=100 м3 при вскрытии ЛСК в
покрытии площадью (на единицу объема)
5=0,07 (1), 0,05 (2), 0,03 mVm3 (3) и
поверхностной плотностью тпов=20; 50 и 120
кг/м2 (ин=0,45 м/с)
0,2 0,3 0,4 0,5 t,c
234

АР, КПа
Рис.13.18. То же, что на рис.13.17 при
Уо=1000 м3 5
ДР, КПа
1
1 L
гоюМ\
50кг/м*/
20ш/лр1^>
"^.^^
\\\
Д
U
м^
■ЗВ^^Я
i
^7г=
2
3^2:
^
0,5 0,4 0,6 0,8 1 t,c
Рис.13.19. To же, что на
рис.13.17 при У0=5000 м3
0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 t,c
ДР, КПа
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 t,c
ДР, КПа
Рис.13.20. То же, что на рис.13.17 при
вскрытии ЛСК в вертикальном
ограждении
ДР, КПа
1 Локг/м?
\20кг/л£ j£S
1 ^в£^,<ч*
$\
^
LeE
12 3
III
э5§
s£s^
0,2 0,4 0,6 0,8 1 t,c
Рис.13.21. То же, что на рис.13.20 при
У0=1000 м3
Рис.13.22. То же, что на
рис.13.17 при У0=5000 м3
0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 t,c
235

0,8 К.
вскр
0,8 Kt
вскр
Рис. 13.23. Зависимость коэффициента вскрытия от допустимого давления
АРд0П и площади пластин стекла ЛСК при одинарном (а) и двойном (б)
остеклении при толщинах 3 мм ( ), 4 мм ( ) и 5 мм ( —)
13.3.4. Оценка давленая взрыва по ГОСТ 12.1.004-85
Согласно рекомендациям ГОСТ избыточное давление взрыва АР,
кПа, аэрозолей, а также газовоздушных смесей в помещениях от
испарения выброса сжиженного газа при аварийном вскрытии
емкости можно определить с учетом негерметичности помещений по
формуле (13.88) (см. также (13.89))
mHTP0Z
ДР =
(13.88)
Здесь тп — масса горючего (сжиженного газа), кг, поступившего
в помещение в результате аварийного вскрытия баллона; Ят -
теплота сгорания, Дж/кг; рв — плотность воздуха до взрыва,
кг/м3, при начальной температуре То, К; Ср - удельная
теплоемкость воздуха, Дж/(кгК), (допускается принимать Ср=1,0Ы03
Дж/(кгК)); Z — коэффициент учета негерметичности помещения и
неадиабатичности процесса горения; Pq — начальное давление, кПа,
(допускается принимать 101 кПа); Уш — свободный объем
помещения, м3, за вычетом объема, занимаемого технологическим
оборудованием (допускается принимать 80% от полного объема).
При взрывах гибридных смесей, содержащих газы или пары и
236

пыль, давление АР определяют суммой давлений АР2 — для газа
(пара) и АР2 ~~ для пыли, вычисляемых по формуле (13.88),
АР = Щ + АР2 .
Например, при вскрытии баллона емкостью 50 литров с
сжиженным пропаном в помещении с У0 = 192 м3, рв = 1,225 кг/м3,
уш = 0,8У0 = 153,6 м3, Г0 = 293 К, Ср = 1,01-103 Дж/(кгК),
Z=l, Р0 = 101 кПа, Ки = 3 и 2, Ят = 2,8 • 106 Дж/кг и массе
т = 14,6 кг (50% заполнения баллона) получены значения
АР = 24,4 кПа (Кн = 3 ) и 36,6 кПа (Ки = 2 ).
13А. Взрывы аэрозолей
Взрывы пыли (пылевоздушных смесей — аэрозолей)
представляют одну из основных опасностей химических производств. Взрывы
пыли происходят в ограниченном пространстве — в помещениях
зданий, внутри различного оборудования, в штольнях шахт.
Возможны взрывы пыли в мукомольном производстве, на зерновых
элеваторах (мучная пыль), при обращении с красителями, серой,
сахаром, другими порошкообразными пищевыми продуктами,
производстве пластмасс, лекарственных препаратов, на установках
дробления топлива (угольная пыль), в текстильном производстве.
По данным зарубежных источников, из 1120 взрывов ггьыевоздушных смесей
на производствах 540 произошло при работах с зерном, мукой, сахаром и другими
пищевыми продуктами, 80 — с металлами, 63 — с угольной пылью на установках
дробления топлива, 33 — с серой, 61 — в химической и нефтеперерабатывающей
промышленности.
Взрывы пыли, в основном, происходят по дефлаграциоиному
механизму (взрывное горение). Переход к детонации возможен в
длинных штольнях шахт, на конвейерных линиях зернохранилищ
большой протяженности за счет турбулизации пыли. Возникновение
облаков аэрозолей из осевшей ранее пыли (аэрогеля), их
воспламенение и взрыв возбуждаются слабым взрывом какой-либо газовоз-
душной смеси, например, в шахтах — взрывом метана.
При взрыве пыли избыточное давление АР в объеме V
возрастает до своего максимального значения АРт постепенно за некоторый
промежуток времени т. Это объясняется тем, что горение (при де-
флаграционном взрыве) распространяется с дозвуковой скоростью.
Давление ДРШ зависит от большого числа факторов: концентрации
и размеров частиц пыли определенного типа, химической активно-
237

ста вещества, влажности, начального давления (в сосудах,
аппаратах, трубопроводах), объема V и наличия отверстий или
предохранительных (сбросных) конструкций. Для примера, на рис.13.24
приведена зависимость изменения со временем избыточного
давления AP(f) при взрыве угольной пыли. Аналогичный характер
функции &P(t) соответствует взрывам пыли другого состава в
замкнутом объеме. При наличии отверстий происходит сброс
давления. В общем случае основными параметрами, определяющими
разрушительное действие дефлаграционных взрывов аэрозолей,
являются давление АРт и максимальная скорость нарастания давления
АРт = (dP/dt) или длительность т нарастания давления
* = KtAPm/Pm, Я, «2,5.
А Л МПа
0,3
0,2
0,1
О
80 160 t,Mc
Рис.13.24. Изменение давления в помещении при де-
флаграционном взрыве угольной пыли
Избыточное давление взрыва АРт, МПа,
аэрозоля в помещениях зданий определяют по
формуле (ГОСТ 12.1.004-85)
GQPpZ
АР.
Vp0CpT0KH
(13.89)
где G — общая масса дисперсного продукта, кг; Q — удельная
теплота сгорания вещества, Дж/кг (табл. 13.10); Р0 — начальное
давление в объеме, МПа; V — свободный объем (помещения, емкости)>
м3; Ро ~ плотность воздуха, кг/м3; Т0 — температура воздуха в
объеме, К; Ср —теплоемкость воздуха (1,01-103 Дж/(кг-К));
Кн « 3 — коэффициент, учитывающий негерметичность помещения
и неадиабатичность процесса горения; Z « 0,5 — доля участия
дисперсного продукта во взрыве.
Величина G может быть подсчитана по плотности вещества р и
объему помещения G = pV. Тогда для давления получим оценку
APm= pQP°Z
Ро СР То кн
(13.90)
причем для герметичных помещений Kjj=\ и в запас расчета Z=l.
Максимум скорости нарастания давления Рт , МПа/с, (в момент
238

времени t« т/2 ) при взрывном горении пыли в замкнутом объеме
коррелирует с законом кубического корня из объема
Pm=a0P0Kc/(xW), (13.91)
где а0 — скорость звука в воздухе, м/с, при начальном (возможно,
атмосферном) давлении Р0, МПа; Кс — константа горючей
пылевой системы; X — геометрический фактор.
На практике используют аналогичную формулу
Pm=KsW, (13.92)
в которой Ks — коэффициент взрьшоопасности пыли, находящийся
в диапазоне от 0 до 30 МПам1/3/с и более. Так, для угольной пыли
Ks = 8,5; алюминия 5,5; органических пигментов 2,9; декстрина
2,0.
Таблица 13.10. Теплота сгорания Q вещества
при дисперсности L
Вещество
Полистирол
Полиэтилен
Метилцеллюлоза
Полиоксадиазол
Пигмент зеленый (краситель)
Пигмент бордо на полиэтилене
Нафталин
Фталиевый ангидрид
Уротропин
Адшгановая кислота
Сера
[Алюминий
L, мкм
20...70
250
850
—
3...10
1...20
100
74
75
850
8,5
—
Q, МДж/кг 1
зэЖ
47,1
11,8
18,0
42,9
42,9
39,9
21,0
28,1
19,7
8,2
30,13
Скорость Рт в сосуде, аппарате с газообразной средой может
быть определена также по формуле
Pm=l(KP0P0/sJv/b,
где Р0 — характерная скорость, МПа/с, для объема У* = 0,01 м3;
К — коэффициент степени турбулентности. При V>V* принимают
К = 1,5.. .2,0, а при наличии в сосуде ребер или, если аппарат
проточный, К = 2., .5 . Константа Р0 (по В.Водянику и др.) имеет зна-
239

чения: для полистирола 32, полиэтилена 25,6, алюминия 36,4,
древесины 13,5, ацетилцеллюлозы 38,2, метилцеллюлозы 12,1, казеина
6,4, серы 12,5. С помощью этих данных можно оценить величину
коэффициента Ks в формуле (13.92)
Ks = KKP0P0ffi.
Например, для полистирола, принимая К = 1, Рт =32 МПа/с,
Р0 = 0,1 МПа, получим Ks = 10 • 1 • 32 • 0,1 • ^/0,01 = 6,9 , для
алюминиевой пыли Ks = 7,8, для древесины Ks = 2,9.
В табл. 13.11 приведены данные по взрывному горению
аэрозолей в закрытых объемах с максимально возможными значениями
давления АРт и скорости Рт , нижним (НКПВ) и верхним
(ВКПВ) концентрационными пределами воспламенения (р) и
наименьшей температурой самовоспламенения Тсв.
Как показывает опыт, максимальные давления наблюдаются при
концентрациях, превышающих стехиометрическую. При этом в
горении участвует лишь небольшая часть пылевых частиц, например,
для угольной пыли 20...40%, торфяной 10...20%. Поэтому данные
табл. 13.11 следует рассматривать как ориентировочные, что
связано также с трудностями предсказания значений реальной
концентрации в помещениях из-за влияния различных случайных
факторов и постоянных переходов аэрогеля в аэрозоль (взвихрение пыли)
и наоборот — при оседании частиц пыли.
Для примера, подсчитаем давление для аэрозоля алюминия.
Принимая Q = 30,13 МДж/кг, р = 45 • 10"3 кг/м3, Т0 = 293 К, по
(13.90) получим
АР=45Л0-3-30,131061051/(1,221,01103-2931)=0,376106Па.
При прочностных расчетах конструкций (без проемов) под
воздействием дефлаграционного взрыва аэрозоля нагрузку можно
схематизировать как возрастающую линейно со средней скоростью
Рср = Pm/Kt до максимума, затей остающейся постоянной
AP(f) = APm (t > т = 2,5 APm/Pm). Время нарастания давления для
пылей находится в пределах т да 0,04.. .0,7 с, обычно возрастая с
концентрацией. При таких значениях т конструкции соответственно
с частотами ниже 25,0 и 1,5 Гц окажутся под действием
квазистатических нагрузок (с коэффициентом динамичности К% да 1).
240

Таблица 13.11. Данные пылевых взрывов некоторых веществ
по ГОСТ 12.1.041-83
| Горючая компонента Г
Пластмассы:
Смола эпоксидная
Полистирол
Полиэтилен
Металлы:
Титан
Магний
Алюминий
Железо карбонильное
Железо восстановленное
Ферромарганец
Марганец
Цинк
Бронзовая пудра
Сурьма
Неорганические вещества:
Фосфор красный
Сера
Кремний
Бор
Органические вещества:
Казеин
Резиновая мука
Люминофор зеленый
Зернопродукты:
Кукуруза
Овес
Пшеница
Рис, ячмень
Вещества с размерами частиц
до 75 мкм (В.Маршал)
Пшеничная мука
Пшеничный крахмал
Кофе быстрорастворимый
Пробка
Целлюлоза
Нейлон
Мыло
Стеарат кальция
Древесина
1 Уголь
Р~9 [
г/М3 J
нкпв
20
25
12
60
25
10
105
66
130
90
480
1000
420
14
17
100
100
45
74...79
103
ВКПВ
50
45
150
35
45
30
20
25
-
1 55
ХС.П '
°с
540
488
440
510
490
470
310
475
' 240
240
460
190
330
305
190
790
400
—
377
385
530
420
470
420
380
430
490
400
410
500
430
400
360
1 610
APm.l
кПа |
647
720
560
371
500
660
300
250
330
340
350
300
56
700
460
530
630
750
550
800
400
740
930
740
760
690
440
670
810
660
540
Г 670
620
1 620
Рт, 1
МПа/с
90,2
37,0
37,0
75,0
103,5
138,0
14,5
0,33
32,4
8,23
0,7
2,9
11,2
2,9
25,6
44,9
3,8
51,8
55,2
27,6
19,4
69,0
39,3
1 15,9

13.5. Снижение ущерба от загораний и взрывов
пылей (на примере текстильных предприятий)
Для предотвращения загораний и взрыва аэрозолей применяют
различные меры, из которых основными являются: отделение
технологических процессов, связанных с образованием пыли, от
возможных источников зажигания, а также мероприятия по
обеспыливанию производственных помещений, ограничению, флегматизации
или подавлению взрывов. Ниже приведены данные о мерах по
уменьшению опасности взрывов пыли на примере текстильных
предприятий с использованием фильтров, улавливающих и
отсасывающих пыль из помещений.
Пожаро- и взрывоопасные свойства природных (шерсть, лен,
хлопок) и синтетических (вискоза, капрон, нитрон) текстильных
материалов определяются тем, что их волокна представляют
высокомолекулярные соединения, легко окисляемые кислородом воздуха.
Максимум давления АРт и скорость нарастания давления АРт при
взрывах аэрозолей текстильных волокон зависит от дисперсионного
состава и влажности, причем наибольшие давления возникают за
счет мелких фракций пыли. Так, для вискозы при размере частиц
L=315...400 мкм при концентрации р = 230 г/м3, влагосодержании
по массе 0,1% АРт = 390 кПа, тогда как при L = 63 мкм,
р = 350 г/м3 давление возрастает до 690 кПа. Скорости АРт для
шерсти, нитрона и вискозы достигают 20,6; 33,0 и 29,0 МПа/с
соответственно. Оптимальная вероятность зажигания достигает:
90% для шерсти и вискозы, 71% для нитрона при оптимальных
концентрациях 736 г/м3 (шерсть), 807 г/м3 (вискоза) и 450...500
г/м3 (нитрон) при размерах частиц пыли 60... 160 мкм.
Для очистки запыленного воздуха в помещениях текстильных
предприятий применяют фильтры (аппараты) типа ФРМ (фильтр
рукавный механизированный, всасывающий).
На льнокомбинате в г. Костроме используют аппараты ФРМ—10, состоящие из
двух сообщающихся частей, расположенных в разных этажах здания. Верхняя
часть по внешнему обводу выполнена в виде параллелепипеда с размерами
3 х 3,7 х 3 м (рис.13.25) и прямоугольной коробки под ним (0,8 х 3,7 х 3,85 м).
Нижняя часть аппарата представляет бункер в форме перевернутой усеченной
пирамиды высотой 3 м с прямоугольными основаниями (3,7 х 3,85 м и 0,5 х 0,5 м).
В нижней части бункера расположен шлюзовой затвор.
Между параллелепипедом и прямоугольной коробкой расположен стальной
поддон - лист с отверстиями диаметром 24 см для монтажа рукавных фильтров,
сгруппированных в 10 секций по 10 рукавов в каждой. Рукавные фильтры секций
подвесками соединены с подвижной системой механизмов встряхивания, установ-
242

ленных на верхней раме параллелепипеда. Между секциями смонтированы
стальные перегородки из панелей. Внутренние размеры каждой секции в плане 60 х
140 см. Производительность одной секции по воздуху 3780 м^час. Общая
производительность аппарата ФРМ—10 37800 м^/час. Масса каждой секции
приблизительно составляет 500 кг.
Корпусные конструкции аппарата собраны на болтах из металлических
сварных панелей различных размеров с уголками по контуру. Каждая панель состоит
из стального листа толщиной 2 мм из стали Ог.З. Некоторые панели имеют ребра
жесткости из уголков 50х50х5ммиз стали Ог.З. Прямоугольная коробка
имеет уступ размером 85 х 370 см. Верхняя плоскость уступа (может быть
приспособлена под легкоразрушающуюся мембрану) сочленена с вертикальным отводным
каналом для сброса давления в атмосферу.
При работе фильтров были случаи взрывов льняной пыли в пирамидальном
бункере, что приводило к разрушению конструкции с образованием осколков.
По данным ВНИИ судебной экспертизы МЮ СССР (1988 г.), фильтры
ФРМ-10 были спроектированы и эксплуатировались без учета взрывоопасное™
льняной пыли и мер взрьшозащиты.
3700
Рис.13.25. Схема фильтра ФРМ—10 для очистки запыленного воздуха: 1 —
механизм встряхивания, 2 — панели, 3 — бункер, 4 — шлюзовой затвор, 5 — секция
фильтра, 6 — смотровой люк, 7 — междуэтажное перекрытие (размеры в мм)
Корпус и другие конструктивные элементы не были рассчитаны на остаточное
давление взрыва, т.е. давление, которое возникает в аппарате при сбросе
продуктов взрыва через проемы. На фильтре не были смонтированы взрыворазрядитель-
ные проемы с газоотводящими каналами и др. Экспертами (И.С.Таубкин и др.)
был предложен ряд мер понижения взрывоопасное™ фильтров: установка на воз-
духоотводах запыленного и чистого воздуха двухстворчатых и жалюзийных взры-
вопреграждающих клапанов; установка на ФРМ шлюзового затвора,
препятствующего выходу продуктов взрыва из аппарата в объем фильтр-камеры; применение
243

датчиков обнаружения загораний, сблокированных с клапанами. Было
установлено, что при взрывном горении льняной пыли в аппарате ФРМ—ПВ—10 с объемом
У=81,6 м3, близким к объему фильтра ФРМ—10, скорость нарастания давления
&Рт может находиться в пределах 0,05...0,5 МПа/с при максимуме избыточного
давления ДРт =0,01...0,057 МПа. Возможен взрыв в длинных трубах,
предназначенных для вывода истекающих продуктов взрывного горения из камер через
отверстия-клапаны. Этот эффект связан с тем, что приводит к турбулизации,
ускорению потока в трубе и к детонации.
Динамическим прочностным расчетом конструкции фильтра на
ЭВМ по программе DYNAMIC установлено, что прочность аппарата
ФРМ—10 лимитирована низкой взрывоустойчивостью бункера. Так,
при взрывном горении аэрозоля внутри фильтра конструкция
выдерживает давление, не превышающее 0,01 МПа при времени
нарастания давления т = 0,1 и 0,2 с . (средняя скорость
АР = 2,5АРт/т = 0,25 и 0,5 МПа/с). При ударноволновой
нагрузке, соответствующей детонации пыли, прочность фильтра
сохраняется при давлениях до 7,5 кПа. Однако при указанных нагрузках в
результате больших пластических деформаций и формоизменениях
раздутия (рис.13.26) фильтр приходит в негодность.
I У, си
Рис. 13.26. Конфигурация бункера фильтра
(вертикальный разрез) в различные
моменты времени при внутреннем дефлаграцион-
ном взрыве с максимумом избыточного
давления 0,01 МПа
Проанализирован ряд вариантов
усиления пирамидальной части ФРМ—10.
Наиболее эффективные варианты усиления были
просчитаны на ЭВМ.
Проведены динамические расчеты
бункера:
а) усиленного стальными бандажами в
виде горизонтальных шпангоутов;
б) усиленного внешним слоем композита с высокопрочными волокнами СВМ;
в) усиленного слоем композита в сочетании с использованием легкоразрушаю-
щейся мембраны сброса давления аварийного взрыва через отводной канал.
По- п. а) последовательно рассчитана прочность пластинчатого элемента
корпуса бункера в целях выбора шага шпангоутов, затем проведен расчет прочности
шпангоутов. Далее проведена проверка прочности бункера на отрыв от
перекрытия и разрыв вдоль наклонного сечения плоских листов. Дана оценка
динамических нагрузок на перекрытие при аварийном взрыве.
244

По п. б) выполнены расчеты бункера как слоистой системы: внутренний слой
соответствует стальному корпусу бункера, внешний — композиту.
По п. в) проведены расчеты той же конструкции, но при нагрузках,
соответствующих режиму взрьюного горения со сбросом давления через разрушающуюся
мембрану. Так как аппарат смонтирован на междуэтажном перекрытии, то в
результате аварийного взрыва в пирамидальном бункере возникает значительная
вертикальная динамическая нагрузка на перекрытие. Поэтому кроме оценки
прочности аппарата ФРМ—10 необходимо установить надежность перекрытия при
аварийном взрыве.
Усиливающие элементы подбирались таким образом, чтобы обеспечить взрыво-
устойчивость аппарата при взрыве с давлением АРт = 0,05 МПа. Время
нарастания давления принято % = ОД с, полная длительность нагрузки 0 = 0,5 с.
В варианте усиления аппарата шпангоутами получено, что оптимальным
является система из шести горизонтальных шпангоутов по контуру бункера,
выполненных из двутаврового проката №16, с вертикальными (наклонными) ребрами
жесткости. При этом динамические напряжения в шпангоутах не превышают 230
МПа. Общая масса металла усиления на один аппарат составляет 1,5 т.
На рис. 13.27 показана деформация наиболее нагруженного верхнего
шпангоута усиленного бункера при жестком сочленении в узлах; максимум прогиба
составил 7,3 мм. При шарнирном сочленении шпангоутов прогиб достиг
максимального значения 32 мм.
Рис. 13.27. Конфигурация наиболее
нагруженного верхнего шпангоута усиленного
бункера (горизонтальный разрез) в
различные моменты времени при внутреннем деф-
лаграционном взрыве с максимумом давления
АР =0,05 МПа
Более рациональным способом
повышения безопасности эксплуатации аппарата
является наклейка на его внешнюю
металлическую поверхность защитного слоя
эластичного полимерного материала. Такой способ
усиления может быть также использован,
применительно к резервуарам и газгольдерам.
Наиболее перспективной является ткань
из сверхпрочного высокомодульного
синтетического волокна на основе .мономеров СВМ. Волокно СВМ относится к классу
полигетероариленов. По своим прочностным характеристикам волокно СВМ
превосходит уровень прочности волокон капрона и лавсана (табл. 13.12). Важными
свойствами СВМ является его невоспламеняемость и высокая термостойкость.
Близкими свойствами обладает высокомодульное волокно на основе полиамида
высокой плотности упаковки поли-п-бензавид, выпускаемый в США фирмой Дю-
понт под названием "файбр В" или "Кевлар".
245

Таблица 13.12. Прочностные характеристики волокон
1 Волокно
СВМ
Капрон
Стеклокорд
Металлокорд
Плотность
р, кг/м3
1,43
1,14
2,54
7,80
Модуль
упругости
Е, МПа
810*...1,2105
4103...4,5103
5104
4-Ю4
Прочность
ств.
103 МПа
2,8...3,5
0,9
2,0...2,5
2,3...3,1
Удлинение 1
при
разрыве %
2...4
25,0
4,8
1,7
Волокна типа СВМ и кевлар используют в виде ткани, лент и прядей в
авиации, ракетной, космической технике, машиностроении, электронике.
Параметры равнопрочного композита (ткани) с волокнами СВМ или кевлара
на основе полимерной матрицы - эпоксидной или полиэфирной смолы,
использованные при оценке взрывоустойчивости усиленного таким образом аппарата
ФРМ-10, приняты следующими: р=1400 кг/м3, Е=7,2104 МПа,
ав =1,3-10 =1,3103 МПа, предельная деформация 8=4% , эффективная
толщина слоя 5 мм. Таким образом, оценивалась прочность двухслойной конструкции
с внешним слоем из указанного выше композита и внутренним — стальной
обшивкой бункера толщиной 2 мм и пределом текучести стали 230 МПа.
В результате динамического расчета получено, что усиленная конструкция
выдерживает дефлаграционный взрыв с максимумом давления 0,05 МПа при
максимуме перемещений стенок аппарата до 78 см. При качественном изготовлении и
монтаже защитного слоя композита с обеспеченной отгезией (с использованием
полиуретанового клея) эксплуатация фильтров опасности не представляет.
В целях уменьшения давлений в емкостях при внутренних
взрывах и следовательно — деформаций конструкций применяют взрыво-
защиту аварийным сбросом давления с использованием
предохранительных мембран. Такой способ взрьюозащиты является наиболее
эффективным и дешевым, однако он допустим в случае
нетоксичных продуктов взрыва, выбрасываемых в атмосферу.
При использовании для мембраны прочной тонкой пленки
срабатывание взрывозащиты будет достаточно малоинерционным, что
обеспечивает эффективность данного способа уменьшения
расчётного давления для бункера в целом.
Для обеспечения нормальной работы аппарата в течение
длительного времени материал должен сохранять прочностные свойства, а
конструкция мембранной защиты — обеспечивать герметичность
системы.
Для мембран могут быть использованы различные материалы. Наиболее
перспективным является использование полимерных пленок. Выпускаются
полиамидные пленки "Аримид ПМ1", "Аримид ПМ2" и "Аримид ПМ4". Эти пленки отлича-
246

ются высокими термо— и химостойкостью, а также механическими свойствами. За
рубежом полиамидные плешей выпускаются фирмой Дю-попт под названием
"Каптон Н" или "Н-пленка". Свариваемые многослойные пленки на основе
"Кантона Н" и сополимеров этилена с тетрафторэтиленом выпускаются под
названием "Каптон НГ" и "Каптон НВ". Свойства пленок следующие: плотность
р = 1,42 г/см^, температура нулевой прочности 815°С, водопоглощение при 23°С
и 20...80% относительной влажности — 2,2-10"5 см/(см%), прочность при
растяжении (при 25°С) <т =175 МПа, удлинение при разрыве sp = 70%, модуль
упругости при растяжении .Е—3,03* 10* МПа. Близкие свойства имеют полиами-
доимидные пленки (при 23°С): р=1,36 г/см3, а = 150 МПа, 8р=14%,
Я=2,26Ю3 МПа.
Ниже приведен расчет мембраны из полимерной пленки, применительно к
взрывозащите аппарата ФРМ—10. Обычно толщина мембраны выбирается из
расчета обеспечения разрыва при увеличении давления на 10 кПа (0,1 кгс/см2 ).
Приведем данные о свойствах некоторых материалов, применяемых для
предохранительных мембран: вьвдерживаемое давление в зависимости от площади Рм
мембраны (табл.13.13).
Таблица 13.13. Характеристики материалов
предохранительных мембран
Материал
1 Полиэфирная пленка
Прессованный асбест
Алюминиевая фольга
Целлофан
Полиэтиленовая пленка
Толщина 5, мм
0,023
0,2
0,05
0,026
0,065
FM , м2
0,32
0,32
0,40
0,25
0,32
0,20
0,25
0,20
0,25
АР, кПа
2"5
14
05
17
10
15
10
08
06 |
^ги данные характеризуют лишь относительную прочность материала мембран
и непосредственно для подбора материала не могут быть использованы в связи с
малыми значениями площадей FM . Как видно из таблицы, с увеличением FM
разрывная нагрузка АР заметно уменьшается. Поэтому при площадях порядка
FM «3 ~ 3 м2 прочность мембран указанной в таблице толщины б ~ ОД мм
может не обеспечить герметичность аппарата в условиях длительной
эксплуатации.
Расчет взрывозащиты состоит в определении необходимой
площади предохранительной мембраны, обеспечивающей сброс давления
до заданной величины и подборе толщины материала мембраны.
247

Расчет площади мембраны основан на предположении о
равенстве скорости нарастания давления при взрыве Рв = dPB/dt и
скорости снижения давления Р = dP/dt от истечения продуктов взрыва
из отверстия при разрыве мембраны
-P = -dP/dt = dPB/dt .
Снижение давления определяется по формуле
-Р = a F/vfa RT/M)P(P - Р0) ,
где V — объем аппарата, R — универсальная газовая постоянная
(R = 8,32 Дж/(мольК)), Т — температура, М — молекулярная
масса твердой фазы аэрозоля, Р — давление в аппарате, Р0 ~~ ат~
мосферное давление, а — коэффициент истечения (для отверстий с
острыми кромками <х=0,85).
Приведенные соотношения приводят к формуле для определения
площади мембраны в зависимости от допустимого давления Рюп в
аппарате и объема V:
Fu = VPBj{apRTlM)Pm (Pm - Р0)) .
Ориентировочно для пылей растительного происхождения при Р>35 МПа/с
удельная площадь разгрузочного отверстия, отнесенная к объему V, составляет
FM/V = 0,14...0,17 м"1. Размер FM уменьшается в соответствии с объемом
аппарата, согласно табл. 13.14. Отношение FM/V является коэффициентом К^
сброса давления.
Таблица 13.14. Значения коэффициента сброса давления
в зависимости от объема аппарата
""""V/м8
1 Kcs = FJV^i
до 30
0,1...0,3
30...750
0,1...0,07
>750
0,07...0,04
Для аппаратов объемом до 28 м^, ответственные конструктивные элементы
которых характеризуются высокой прочностью, допускается значение
КСБ =0,1 м" .Для помещений объемом выше 700 м3 допускаются значения
iCCB=0,07...0,04 м"1, если объем взрывоопасного оборудования по сравнению с
объемом помещений небольшой.
При выборе мембраны для защиты технологического оборудования (аппаратов
с отношением высоты к диаметру, близким к единице) можно воспользоваться
данными Справочника правил национальной ассоциации пожарной защиты США
(табл. 13.15).
248

Для оценки параметров мембраны воспользуемся формулой для определения
напряжения растяжения нити. Формула для определения усилия распора Н
следующая
H = $]p?l2 EF/24:,
где Ре - погонная нагрузка, I - пролет, Е - модуль упругости, F - площадь
сечения.
Приведенная формула соответствует нулевому начальному провису нити и
отсутствию ее начального натяжения. Термин "мембрана", используемый выше,
является условным, так как под мембраной подразумевают весьма гибкую пленку,
находящуюся под большим начальным контурным натяжением. Для бункера
аппарата ФРМ—10 объем составляет V = 37 м^ , а площадь внутренней поверхности
Fn = 66,6 м2.
Таблица 13.15. Площадь мембраны F, м2, применительно
к взрывам органических пылей
1 V, м3
1
5
10
15
20
25
30
40
50
| 100
Д^т'КПа |
20
0,27
0,83
1,41
1,93
2,40
2,90
3,35
4,00
—
—
50
0,16
0,50
0,95
1,40
1,80
2,20
2,50
3,35
4,00
—
70
0,15
0,45
0,83
1,20
1,60
1,95
2,30
2,95
3,55
—
100
0,12
0,35
0,63
1,00
1,27
1,58
1,85
2,45
3,00
—
150
0,09
0,27
0,52
0,75
0,85
1,20
1,40
1,75
2,20
3,50
200
0,08
0,22
0,45
0,64
0,80
1,00
1,20
1,50
1,80
2,80
250 1
0,05
0,18
0,35
0,53
0,70
0,85
1,00
1,25
1,50
2,40
В конструкции ФРМ—10 предусмотрена площадь сброса давления -FM=3,15 м2
(0,85 х 3,7 м2). Коэффициент сброса давления КСБ =3,15/37=0,085 м"1 . Как
видно из табл. 13.14, значение /f^ =0,085 м~* соответствует диапазону
V = 30...750 м3. Можно проверить эффективность взрывозащиты сопоставлением
с данными табл. 13.15. При исходном максимальном давлении в аппарате
АРт = 0,05 МПа и объеме V = 37 м^ интерполяцией получаем необходимую
площадь сброса давления Fu = 3,1 м2, что почти в точности соответствует площади
FM = 3,15 м2 , предусмотренной в конструкции ФРМ—10.
Учитывая пирамидальную форму бункера с отношением высоты к среднему
поперечному размеру, несколько превышающем единицу, несимметричность
расположения выхлопного отверстия (и в связи с этим возможность повышения
давления от косых отражений от стенок бункера) величину расчетного давления следу-
249

ет удвоить. Расчетное давление примем равным 0,02 МПа.
Пролет мембранной пленки Z = 85 см (наименьший размер выхлопного
отверстия). Подберем толщину пленки, при которой ее разрыв будет гарантирован при
давлении ~ 0,005...0,01 МПа. Примем следующие значения прочностных
параметров материала пленки G= 175 МПа, Е = 3000 МПа.
Выхлопное отверстие имеет форму прямоугольника размером 0,85 х 4 уг .
Поэтому расчет можно вести на полоску пленки ("нить") единичной ширины. При
этом погонная нагрузка будет соответствовать давлению; F = 1-5 см2; Н = 1-5-0" ,
т.е. напряжение растяжения будет равно a = ^Pe2Z2 £8/24/5. Отсюда
определим величину 5, подставляя значение разрывного напряжения,
5 = PelJEJ{2A^ = 0,02 • 85-/3 • 103/(24 -1753) = 8,2 • 10"3 см.
Менее прочные пленки требуется брать с большим значением 8. Так,
принимая для полиэтиленовой пленки ПЭВД при Т = 20 °С а = 11 МПа, Е = 500
МПа, получим
8 = 0,02- 85^0,5-103/(24. И3) = 0,21 см.
При расчетной скорости возрастания взрывного давления
Рр~0,5 МПа/с и максимуме давления Рт = 0,02 МПа получим время
нарастания давления до максимума т = 2$PmjPB = 2,5 • 0,02/0,5 = 0,1 с.
Проведен динамический расчет прочности бункера как двухслойной системы
сталь (0,2 см) — композит с волокнами СВМ (0,5 см) на действие пониженной
взрывозащитной взрывной нагрузки с параметрами: максимум давления 0,02
МПа, время нарастания давления до максимума т=0,04 с, полное время действия
6=0,5 с. Величина G принята условно, так как темп спада нагрузки при больших
временах т не играет существенной роли. Параметры металла бункера и
композита указаны выше ( приняты те же, что и в расчете без взрывозащитного сброса
давления). В результате получено, что сброс давления аварийного взрыва через
отводной канал в два раза снижает экстремальные значения нормальных
растягивающих усилий в стенке бункера. Остальные параметры напряженно-
деформированного состояния металла и композита остались на прежнем
безопасном уровне. Близкие результаты по деформациям в сравнении с данными взрыва в
замкнутом объеме объясняются весьма малой изгибной жесткостью конструкции.
Учитывая значительное снижение цепных усилий в стенках бункера,
использование устройства сброса давления представляется целесообразным.
13.6. Опасности на предприятиях пищевой
промышленности
Опасности на этих предприятиях связаны с возможностью
воспламенения и дефлаграционных взрывов аэрозолей при
переработке некоторых пищевых продуктов. К их числу относятся
порошкообразные продукты: мука различных сортов (пшеничная, рисовая,
кукурузная, дрожжевая), целлюлоза, пищевой крахмал, кофе быст-
250

рорастворимый, сахар свекловичный, крахмал картофельный, сухое
молоко и другие.
Значительную опасность представляют процессы переработки и
транспортировки зерна, а также его хранение. В настоящее время
имеется большое число нормативных документов по безопасной
эксплуатации и устойчивости функционирования мукомольно —
крупяной, комбикормовой и элеваторной промышленности. Однако
многие требования этих документов противоречивы и во многом
устарели.
Следует отметить, что аналогичные опасности присущи процессам
переработки пылеобразующих материалов в текстильной
промышленности, угольной, деревообрабатывающей и других отраслях.
Пылевые взрывы считаются весьма опасными в связи с
небольшими значениями нижних концентрационных пределов
распространения пламени и температурами зажигания, обычно не
превышающими 500°С (а для муки - в диапазоне 380...390°С).
Согласно Нормам и Правилам СНиП 11—90—81 (часть 2) к
взрывоопасным производствам категории Б относятся производства,
в которых имеются горючие пыли или волокна с нижним
концентрационным пределом распространения пламени 65 г/м3 и менее.
Взрывоопасные аэрозоли пищевых продуктов перечислены ниже с
данными по нижнему концентрационному пределу S
распространения пламени для веществ I и II классов по степени их пожаро-взры-
воопасности:
I класс:
5, г/м
II класс:
S, г/м3
шрот подсолнечный
молоко сухое
сахар свекловичный
чечевица
мясокостная мука
маис
7,6
7,6
8,9
10,1
10,5
12,6
горох
жом свекловичный
казеин
крахмал картофельный
кукуруза
лигнин
льняная костра
овес
ячмень
25,2
27,7
32,8
40,3
37,8
30,2
16,7
30,2
32,8
Взрывоопасное^ пыли на предприятиях пищевой
промышленности связана в значительной степени с технологическими процессами
переработки пылевидных и пылеобразующих материалов и веществ.
К таким процессам относятся измельчение, сушка, а также пнев-
мотранспортировка.
251

Серьезность опасностей технологических процессов переработки
порошковых веществ показывают данные распределения числа
взрывов (1952...1963 гг.), %:
Измельчение (производство порошков) 33,3
Пылеулавливание 16,7
Сушка 12,8
Транспортировка 9,0
Хранение 5,1
Сжигание 2,6
Прочие процессы 20,5
Пожары и взрывы в измельчительных устройствах, применяемых
для получения порошкообразных продуктов, обусловлены
возможностью появления в них пылевоздушных смесей взрывоопасных
концентраций и источников зажигания, а также высокой реакционной
способностью измельченных продуктов. Такие устройства имеют
высокий КПД, поэтому значительная часть потребляемой ими
энергии переходит в тепло, нагревающее измельченный продукт.
Особо опасными являются сушильные установки, что часто
связано с необходимостью высокотемпературного подогрева. Опасности
пневмотранспортировки заключаются в возможное™
самовозгорания пыли от трения о стенки трубопроводов при движении пылев-
звеси с высокими скоростями. Высокоопасными являются также
процессы пылеулавливания, фильтрации запыленного воздуха в
цехах. Используемые фильтрационные системы не обладают
надежной защитой от самовозгораний и взрывов внутри фильтров.
Недостаточная прочность конструкций фильтров (не рассчитанных на
возможность взрывного нагружения) может приводить к их
разрушению с образованием опасного осколочного поля. В то же время
усиление корпусов фильтров в целях предотвращения их разрывов
может привести к значительным динамическим нагрузкам на
несущие строительные конструкции, что в свою очередь требует
усиления.
До настоящего времени разработка и проектирование
технологического оборудования предприятий пищевой промышленности
(фильтров, циклонов, норий, трубопроводов, оперативных бункеров
и др.) проводились без учета возможных аварийных взрывных
нагрузок внутри оборудования. В связи с этим не установлены
нагрузки на соответствующие средства взрывозащиты. Данные о
прочностных параметрах фильтров типа ФРМ приведены выше.
В итоговых материалах по результатам исследований по
проблеме ГНТП "Безопасность" (ВИНИТИ. М., 1993 г.) расчетами уста-
252

новлены значения допустимых динамических внутренних давлений
на бункера различного назначения и конфигурации, не
превышающие 0,02 МПа. Временной инструкцией № 9—1—88 по
проектированию, установке и эксплуатации взрыворазрядителей для
оборудования предприятий системы хлебопродуктов допустимая величина
давления рекомендуется 0,05...0,1 МПа.

Глава 14. Нагрузки на конструкции
при взрывах
Аварии на различных объектах, связанные с производством,
хранением и транспортировкой взрывчатых и других энергоемких
материалов, вызывают необходимость обеспечения взрывобезопасности
при проектировании соответствующих сооружений. Исключительно
важной является также проблема обеспечения сейсмостойкости
объектов.
Задачи обеспечения взрыво- и сейсмостойкости сооружений
относятся к категории динамических.
Взрывные воздействия в общем случае - переменные во времени
и в пространстве. Их особенностью является сложный характер
взаимодействий с сооружением и выработки нагрузок, вызывающих
колебательные движения конструкций.
Сложность решения динамических задач связана с
необходимостью изучения эволюционного процесса нагружения и фиксации
моментов времени и соответствующих экстремальных значений
параметров движения и напряженно-деформированного состояния
конструктивных элементов. При этом следует учитывать отличные
от статических динамические свойства конструкционных
материалов, проявляющиеся в физической нелинейности зависимостей
сопротивления и прочности от деформаций и скоростей напряжения и
деформирования.
Объект, расположенный на некотором расстоянии от места
наземного аварийного или промышленного взрыва, подвергается
воздействию продуктов детонации или воздушной ударной волны. При
этом возникает сложная дифракционная картина взаимодействия, и
объект подвергается воздействию нестационарных (изменяющихся
со временем) давлений. Динамические давления зависят от
параметров волны, характеристик объекта, размеров и ориентации
элементов относительно фронта волны. Если элемент (например,
пластинка) расположен в плоскости более жесткой конструкции
больших размеров, характер нагружения элемента будет также зависеть
от его расстояния до ближайшего ребра всей конструкции.
254

Элементарные силы, распределенные непрерывным образом по
поверхности объекта в процессе его обтекания, образуют
пространственную систему сил, которая в общем случае может быть
приведена к трем моментам и трем компонентам равнодействующей.
Основой определения нагрузок на различные объекты является
эксперимент, проводимый на их моделях при действии ударной волны с
соблюдением правил подобия.
В процессе взаимодействия волны с объектом его внешние
элементы деформируются или разрушаются, что влияет на картину
взаимодействия и активные нагрузки. Существующие методы
определения нагрузок на жестких моделях объектов в ударных волнах и
аэродинамических трубах. не предусматривают учет деформаций
внешних элементов. Таким образом, получаемые при моделировании
данные по нагрузкам могут использоваться для расчетов в
предположении малости деформаций, т.е. при обеспечении прочности
объекта, что согласуется с целью самого прочностного расчета.
14.1. Взаимодействие воздушной ударной волны
с наземными объектами
Характер волнового взаимодействия взрыва с объектами зависит
от соотношения длины L области сжатия волны и размера I
объекта. В процессе распространения волна растягивается, поскольку
слегка убывающая со временем скорость фронта Бф больше
скорости ее задней границы, которая равна примерно скорости звука а0
в воздухе Бф > а0. Под величиной L будем понимать характерную
длину L - БфХ+, определяемую по скорости ^ф в момент £=0
соприкосновения фронта волны с объектом и по длительности т+
фазы сжатия волны, действующей на объект.
При крупных взрывах бризантных ВВ и ядерных: взрывах, когда
L> I, ударную волну считают "длинной", и при расчете нагрузок
учитывают функцию изменения давления со временем AP(t).
Таким же образом поступают при расчетах на действие взрывов
газовоздушных смесей и пылевых облаков. При взрывах небольших
зарядов ВВ обычно L <1 ("короткая" волна), воздействие носит им-
255

пульсивный характер и достаточно иметь значение импульса взрыва
/ = J AP(t)dt.
о
Результат воздействия взрыва на объект можно также оценить,
используя два параметра ударной волны - давление на фронте
волны АРф и импульс J. Для длинной ударной волны различают две
характерные фазы ее взаимодействия с неподвижным объектом
(сооружением, транспортным средством): дифракции и
установившегося (медленно изменяющегося) обтекания. В фазе дифракции
весьма малой длительности в процессе охвата объекта волной
нагрузки существенно нестационарны. В связи с эффектом отражения
максимальные давления на некоторые элементы объекта
значительно превышают избыточное давление АРф на фронте проходящей
ударной волны, однако они быстро убывают, достигая величины,
так называемого, "застойного" давления, соответствующего началу
второй фазы. Максимальное давление на объект возникает в фазе
дифракции на плоских фронтальных гранях при нормальном
отражении (фронт волны параллелен грани). На этих элементах
давление скачком достигает величины, практически равной давлению
отражения от жесткой стенки. Затем в процессе обтекания давление
на фронтальной стенке уменьшается, а к концу фазы дифракции
(t = ts ) становится квазистационарным.
По мере продвижения фронта ударной волны вперед и
погружения в нее объекта нагружается его остальная поверхность. На
рис. 14.1 схематически показан процесс обтекания объекта
прямоугольной формы. Длительность xs установления режима обтекания
передней (фронтальной) стенки замкнутого объекта определяется
скоростью фронта волны Бф и величиной S, равной наименьшему
из размеров Н и В/2,
т,=35/7)ф (14.1)
Спад давления на передней стенке обусловлен волнами
разрежения, распространяющимися от ее ребер.
При действии ударной волны на плоскую конструкцию под
некоторым углом а (между фронтом волны и поверхностью) происходит
отражение с давлением АРотр>> зависящим от давления в падающей
волне АРф и угла а, согласно рис.14.2.
256

Завихрение
А
фронт ударной
аолиы (ФВ) Завихрение.
&L
*8j. Ф
б)
г.
я
9^
Рис. 14.1. Взаимодействие воздушной
ударной волны с объектом
прямоугольной формы: а — вид сбоку, б — вид
сверху, фв — фронт ударной волны
т =
¥/А
'*•
л, ~
Нагрузки в фазе
дифракции, действующие на
верхнюю и боковые
горизонтальные поверхности объекта,
развиваются в процессе
набегания ударной волны.
Поэтому максимальные
значения нагрузок запаздывают во
времени тем больше, чем
дальше элемент расположен
от фронтальной стенки
объекта. Тыльная стенка
нагружается в последнюю
очередь затекающей ударной
волной, от периферии к
центру стенки. Длительность
фазы дифракции т для
объекта в целом имеет порядок
3...5, (14.2)
где I — размер объекта вдоль потока. Обычно xs < т, т.е.
дифракция на объекте заканчивается позже, чем на передней стенке.
Фаза установившегося обтекания имеет длительность порядка
фазы сжатия, и нагрузки здесь убывают постепенно. Давление на
внешние элементы объектов в этой фазе складываются из
"статистического" давления в волне и "динамического" давления (от
скоростного напора), возникающего вследствие торможения частиц
потока. Роль указанных
компонентов нагрузки
при воздействии на
объект различна. Так,
движение закрытого
незакрепленного объекта в
целом, в основном,
определяется
динамическим давлением, так как
равнодействующая
статических усилий на
Рис. 14.2. Давление отражения на плоской замкнутом контуре рав-
преграде при падении фронта ударной вол- На нулю. В то же время
ны под углом а: а — преграда, фв — фронт поведение отдельных
волны
9 — 1087
257

внешних конструктивных элементов будет, в основном, зависеть от
статического давления в волне, так как вклад динамического
давления в полную нагрузку на элемент невелик.
Когда размер объекта I мал в сравнении с длиной волны L
( 8 = 1/L « 1 ) И ВЫПОЛНЯЮТСЯ УСЛОВИЯ Ро/Рт <<: * '
s «1-р0/рф (рт — средняя плотность объекта), эффект фазы
дифракции носит импульсивный характер. Дальнейшее движение
газа может рассматриваться как квазистационарное, так как
скорость объекта намного меньше скорости частиц в волне, и
единственным существенным источником нестационарности является
переменность параметров за фронтом набегающей волны. Таким
образом, система сил в фазе дифракции не зависит от смещений
объекта, а в фазе установившегося (квазистационарного) обтекания
определяется соотношениями стационарной аэродинамики (время t
является параметром). Поэтому во второй фазе динамическое
давление в точке поверхности объекта приближенно можно определить
как произведение скоростного напора P^t) на экспериментальный
аэродинамический коэффициент давления Ср .
Напротив, при выполнении условия, обеспечивающего
импульсивность эффекта воздействия всей (короткой) ударной волны
L/I^VOJfciPo/Pm. (14-3)
основные смещения объекта будут происходить после прекращения
действия волны, т.е. весь процесс взаимодействия носит
дифракционный характер.
Нагрузки в фазе установившегося обтекания играют решающую
роль при длинных ударных волнах. Картина взаимодействия таких
волн с объектами весьма сложна при числах Маха на фронте
Мф < 1, когда невозмущенный поток дозвуковой
(АРф < 0,4 МПа). При этом в отдельных точках вблизи объекта
скорость потока может все же достигнуть скорости звука.
Минимальное значение числа Маха на фронте, начиная с которого
местная скорость обтекания достигает скорости звука, называется
критическим (Мкр) . Как правило, Мкр< 1 (АРф < 0,35 МПа) и в
диапазоне Мкр < Мф < 1 появляется система прямых и косых
скачков уплотнения (так называемых X скачков), приводящая к
повышению сопротивления обтекания.
258

При докритических числах Маха существенную роль играют
свойства вязкости воздуха, и помимо нормального давления по
поверхности объект испытывает воздействие касательных напряжений
(сил трения), определяемых состоянием пограничного слоя
(погранслоя) и числом Рейнольдса Re. Обычно у поверхности пло-
хообтекаемого объекта бывает смешанный погранслой: на одних
участках — ламинарный, а на других — турбулентный. По мере
возрастания шероховатости поверхности и числа Re область
турбулентности расширяется, что приводит к уменьшению сил трения:
Тыльные грани большинства объектов представляют плоский срез. В
данном случае за тыльными поверхностями образуется так
называемая мертвая зона с пониженным давлением ("донный" эффект), в
которой происходит беспорядочное вихревое движение воздуха.
Донным эффектом, в частности, обусловлено резкое снижение
давления при переходе через значение М~1. Следовательно, фаза
"установившегося" обтекания, вообще говоря, не является
стационарной из-за явлений турбулентности в погранслое и "донного"
эффекта, которым свойственны пульсационные изменения скорости.
Таким образом, скорости в каждой точке у поверхности тела могут
характеризоваться лишь как некоторые усредненные по времени
величины.
На рис. 14.3 даны графики изменения средних давлений на
элементы наземных сооружений прямоугольного очертания по схемам
рис.14.1а,б, вызванных ударной волной. Для фронтальной стены
Ср = 1, а для остальных среднее значение коэффициента Ср < О,
т.е. скоростной напор несколько снижает нагрузки на все элементы,
кроме фронтального. При наличии проемов волна затекает внутрь
сооружения, и расчетные давления на элементы сооружения равны
разности внешнего и внутреннего давлений. При расчете нагрузок
на сооружения с проемами (до 30% площади в передней и задней
стенках), но без внутренних перегородок, величина S в (14.1)
является средним расстоянием (для передней стены) от центра секции
до края проема.
Возможная аппроксимация для нагрузок от ударной волны в
билинейном виде показана на рис. 14.4а, где под q подразумевается
избыточное давление или средняя нагрузка, изменяющаеся со
временем t. При расчете конструкций нагрузка может быть введена в
безразмерном виде (рис.14.46), причем Р = q/qH , S = о £,
9*
259

Внутри
?SL/Dp
Ф = Р(0), о) -
характерная
частота, q —
давление или
нагрузка в
характерный
момент времени
SK=a>tK.
Данные о
распределении
давлений на
цилиндр от
ударной
волны, которые
Рис.14.3. Усредненные нагрузки на элементы
прямоугольного закрытого (слева) и с проемами (справа)
сооружения: а — фронтальная стена, б — боковые стены и ^
крыша, в-тыльная стена ПРИ прочШСТ-
ных расчетах
сооружений криволинейного очертания (колец, круговых арок),
приведены на рис. 14.5. Изменение давлений во времени P(t) в
начальной (дифракционной) фазе аппроксимированно тремя
отрезками прямых, причем начало нагружения в точке с координатой X
определяется временем прихода фронта ударной волны tx = Х/Иф .
Характерные параметры функции P(t) (Putt,i = 1,2,3) зависят
от координаты точки, размера Н и давления АРф. Эти данные, а
также коэффициент давления Ср представлены в зависимости от
угла а (Ц =Р£/ДРотр, it =^1)ф/я), где АРотр - давление
нормального отражения.
Давление Р в фазе квазистационарного обтекания при t > t3
представляет сумму статического давления в волне AP(t) и
давления скоростного напора PCK(t) в волне с учетом коэффициента Ср
\AP(t) + Cp{*)PCK(t) (ta<t- Х/Бф < т+)
Р =
Cp(a)P«(0
(x+<t-X/D(j,<x+CK)
(14.4)
260

Рис.14.4. Схематизация нагрузок на
элементы сооружений
Эти данные
относятся к достаточно
длинным ударным волнам от
мощных взрывов
зарядов бризантных ВВ или
ядерных взрывов, когда
длина волны более, чем
в несколько раз
превышает характерный
размер объекта.
хь—
р
i
X
°vs
и \
н J
Народнохазяйственная техника относится к плохообтекаемым
объектам, которые под воздействием взрывной ударной волны
смещаются по грунту и могут терять устойчивость. Нагрузки на такие
объекты получают на основе экспериментальных данных с учетом
возможных угловых и
линейных смещений. В связи с
наличием дорожного просвета у
транспортных средств,
строительных, дорожных машин и
механизмов, при действии
ударной волны возникает
подъемная сила. Для таких
объектов суммарные
(смещающие) нагрузки в
фазе дифракции можно
аппроксимировать мгновенным
импульсом или функцией
времени, что важно для оценки
ускорений объекта в период его
наиболее интенсивного на-
гружения.
Если предположить, что
объект ориентирован
наименее благоприятно
относительно центра (эпицентра)
взрыва, а именно — бортом, и
совместить плоскость
поперечного сечения (материальной -° w й f2° ** iW
симметрии) объекта с систе- Рис.14.5. Нагрузки на кольцевые и
арочные сооружения
IP
*ь
U
1и '
jU_
\\\т
и \
il
APttt'Wi)
261

мой координат XOY (рис.14.6) с началом в центре массы, то
главный вектор активных сил можно представить в проекциях на оси.
Будем считать, что известны импульсы Sw, SA по осям X, Y и
момент импульса Ms для фазы дифракции (см.ниже).
Аппроксимирующие выражения для для лобовой W, подъемной А сил и момента
М0 примем в виде
M*) = Wm(l-*Ao) (0<*<T<T0)
Щ = \п*К (0<*<Ti/2)
Щ = 4*(1-*Ы (ь<***)
M0(t) = Mm(l~t/xm) (0<t<x)
Здесь константы определяются через компоненты импульса с учетом
сопряжения к концу фазы дифракции t = т с функциями нагрузки
в фазе квазистационарного обтекания
Wm = КфР5АР; А,» = 2SA/x - А/2; А'т = АхА/(хА - х),
(2М,-тМ0)/т (MsM0>0)
Mm =
Ms - (MSY (2MS ^jj (14-6)
\[msM0 < 0, M; = \ms/(m0x)\ > V2 - l),
где Кф < 1 — коэффициент формы (для объектов прямоугольной
формы Кф = 1); условие Ms > V2 - 1 означает отсутствие
существенного различия в эксцентриситетах аэродинамического (А0) и
импульса (h).
Для второй фазы (t > т) в предположении, что числа Рейнольдса
Re находятся в закритической области, т.е. имеет место автомо-
дельность по числу Re (характерно для плохообтекаемых тел),
нагрузки определяются соотношениями
W = Рскф/(дРф,*)/2С^(Ф,#)аш(ф,1/, М(0);
А = Рскф/(АРф,^2СА(ф,1/)аА(ф,1/,М(?)); (14.7)
М0 = РсКф/(№ф,*)1гСм(<р,у)ам(ч>,у,М($.
Здесь АРф, РСКф, ДРотр— давление, скоростной напор на фронте
волны и давление отражения от твердой стенки; / — функция уга-
262

Рис. 14.6. Схема нагружения
смещаемого объекта
сания скоростного напора
(/(дРф,о) = 1, рис.13.56);
С\у,л,м ~ функции для
аэродинамических
коэффициентов, зависящие от
обобщенных координат
смещаемого волной объекта для
чисел Маха М « 1; a WiAyM —
поправки на сжимаемость воздуха; jP5 — мидель; у — высота отрыва
контактной точки объекта от поверхности грунта; I — характерный
размер объекта.
Время т определяется из условия сопряжения выражений для
функции W решением уравнения W(x) = Wm(l - х/т0) = (?(т),
причем
<?(*) - Рскф/(АРф,^2^(0,0)а^(0ЛМ^)); (14.8)
T0=i-T(l-Sw/(WmT)).
Из условия непрерывности для А при t = т, t = хг, а также для
М0 при t = т имеем (Мф — число Маха на фронте ударной волны)
та=(дя-|а)^-А); xm=Mmx/(Mm-M0);
А = Рскф/2СА(0,0)аА(0ЛМф);
М0 = Рскф lSCM(0,0)aM(ОД Мф) . (14.10)
Функции С, а получают методами экспериментальной
аэродинамики. Импульсы Sw, SA, Ms измеряют с помощью динамических
тензовесов. Методы определения констант и функций, входящих в
эти соотношения, изложены ниже.
14.2. Основы физического моделирования
взрывных и инерционных нагрузок
В связи со сложностью определения ударно-волновых нагрузок
расчетным путем большое практическое значение приобретают
прямые экспериментальные методы, основанные на принципах
моделирования. Волновые нагрузки взаимодействия для незакрепленных
263

наземных объектов (транспорт, машины и механизмы) зависят в
значительной степени от их смещений. Поэтому физическое
моделирование нагружения объектов предусматривает полное
моделирование процесса, когда движение модели оказывается подобным
движению натурного объекта в реальных условиях воздействия ударной
волны.
Моделирование физических процессов может быть обеспечено на
основе теории подобия в предположении, что полная система
существенных для процесса определяющих параметров известна из
математической формулировки задачи или интуитивных представлений.
Напомним основные теоремы подобия. Первая теорема указывает
необходимые условия подобия и утверждает, что подобные процессы
имеют одинаковые критерии подобия, представляющие собой
безразмерные сочетания параметров. Вторая теорема (л-теорема)
доказывает возможность приведения полной системы уравнений
любого физического процесса к безразмерному (критериальному) виду,
т.е. к зависимости между критериями подобия (комплексами тс).
Третья теорема указывает условия, достаточные для осуществления
подобия: пропорциональность сходственных параметров, входящих в
условия однозначности, и равенство критериев подобия,
составленных из независимых величин.
На практике используются различные способы определения
критериев подобия, но все они по существу сводятся к двум: 1) анализу
размерностей, в основе которого лежит тс-теорема, и 2) методу
"подобия", основанному на идее подобия и отношения сил, который
постулируется так: две системы ведут себя подобным образом, если
соблюдается геометрическое, кинематическое и кинетическое
(динамическое) подобие, т.е. для геометрически подобных ситуаций
выполняется равенство отношений всех сил, существенных для
процесса. В дальнейшем в целях иллюстрации будут использованы оба
метода, хотя второй из них является менее общим, оставляя вне
поля зрения "немеханические" параметры (например,
термодинамические) .
Рассмотрим вопрос о полном моделировании движения и
устойчивости на основе метода подобия. Запишем соотношения для
сходственных параметров двух полностью подобных систем, помечая
одним и двумя штрихами величины, соответствующие модели и натуре
264

Г tk
о_.
I =
'о
'6
V vk _ т' тк
v= — = —: т = = —-:
_ ~ - х
Z" " 'Ц " л*
Здесь обозначено: t — время, I
V"
х'0 ш
Xq
, 1 ~
Ч
ДО =
длина
ДО'
до"
, X
га"
Щ
— смещение,
V
(14.11)

скорость, га — масса, до — сила. Индексом "О" помечены также
величины для произвольных, но фиксированных сходственных точек (Щ
и Щ) ; эти значения примем в качестве единиц измерения.
Параметры с чертой — безразмерные и выражают масштаб.
Выписанные соотношения можно представить в виде
Т =
X =
t' _ t"
fl ~ + 11 '
Xq Xq
w =
M =
Vn
m
rtin
m'
TYli
0
ДО
(14.12)
ДО
ДО5 W$
Параметры /',/',... называются константами подобия, а Т ,Х,... —
инвариантами подобия.
Выясним условия, обеспечивающие движение твердой модели,
подобное поведению реального объекта в натурных условиях, на
основе общего уравнения динамики. При суммировании по всем
точкам модели и натуры эти уравнения соответственно имеют вид
2fw'-m'^W = 0,
Х|до''-га"^|5х" = 0,
(14.13)
(1414)
Л" J V '
где 8х',8х" — возможные перемещения.
Подставляя в (14.13) значения до' = WqW , га' = m^M ,
do' = v'0dV, dt' = t$T , 5x' = x'05X и умножая на постоянную
*6/(ro&*>6*6)' получим
Ти>6'6
Аналогично из (14.14) найдем
W - М ——
dT
га0 z;0
W-M*L
dT
5X = 0.
BX = 0.
265

Сравнивая эти уравнения, видим, что они одинаковы при
*"6*6 =*>$*$ ^ (14Л5)
т.е. соблюдение этого условия приводит к полной аналогии
движения подобных систем, выражаемой соотношениями (14.11) и
(14.12). Или иначе — подобие систем влечет за собой как
необходимость выполнение условия (14.15).
Так как параметры, помеченные индексом "О", выбраны для
произвольной точки, то условие (14.15) относится к любой точке, а
следовательно и к системе в целом. Равенство (14.15) означает, что
при переходе от одной системы к другой, ей подобной, подобие
движений будет иметь место при условии постоянства безразмерной
комбинации, являющейся поэтому критерием — инвариантом
подобия. Полученная выше комбинация является критерием Ньютона
Ne
Ne = = inv (idem), (14.16)
mv
который при моделировании движения объекта необходимо
оставлять одинаковым для модели и натуры. Так как этот критерий
получен из общего уравнения динамики, то он применим к любым
силам (консервативным и неконсервативным). Кроме того, здесь
предполагалось, что силы реакций неидеальных связей включены в
систему внешних сил. Поэтому соблюдение подобия предполагает
полную идентичность связей у подобных систем.
Приравнивая критерии Ньютона, составленные для модели и
оригинала, получим взаимосвязь между масштабами, необходимую
для правильного моделирования w't'/(m'v') = w"t"/(m"v"), откуда
следует
= = L (1417)
mv
Иногда, масштабы, подсказанные теорией подобия, могут быть
физически невыполнимы или их выполнение связано с
техническими трудностями. В таком случае речь может идти о частичном
моделировании по критериям, соблюдение которых возможно. Для
правильного осмысливания получаемых результатов следует
провести анализ влияния параметра, масштаб которого противоречит
теории подобия. Наиболее важным для практики является обоснование
возможности пренебречь невыполнимым критерием подобия.
266

Применяя критерий Ньютона к частным видам движения, можно
получить соответствующие частные критерии подобия. Так, для сил
нормального давления АР в среде (рассматривая элементарный
объем в виде куба с ребром длиной Z, площадью грани Z2 и массой
pZ3) из (14.16) получим критерий Эйлера Ей (или коэффициент
давления Ср)
wt APl2l АР ^
Ne= — = -тт = — = Еи ■ ■ Ср- <14Л8
Для полного моделирования движения объекта при действии
ударной волны необходимо соблюдение подобия для всей системы
внешних сил, которая включает силы взаимодействия ударной
волны с объектом, силы собственного веса и реакции связей (силы
сопротивления) .
Для моделирования эффекта действия ударной волны необходимо
выполнение условий подобия как в отношении самого объекта, так
и условий его обтекания. На основании (14.18) масштаб сил,
возникающих от ударной волны в фазе обтекания, имеет значение
Н
Для сил и моментов при моделировании требуется соблюдать
равенство аэродинамических коэффициентов С{^ = С^ , С'А = Сд,
С'м = С'м, что обеспечивается инвариантностью их аргументов,
Ф^, hz/l, M. Для геометрически подобных тел, подобным образом
расположенных в пространстве относительно потока и грунтовой
поверхности, условия инвариантности аргументов cpj, hz/l
обеспечиваются автоматически. Инвариантность числа Маха должна
соблюдаться по глубине волны. Выполнение этого условия связано с
необходимостью создания волны с заданными параметрами и
поэтому является трудной задачей. Однако для умеренно сильных волн,
допускающих аппроксимацию простой волной, подобие по числу М
может быть достигнуто с высокой степенью точности, так как для
этого достаточно иметь в сходственные моменты времени равные
давления за фронтом волны, т.е. P'(t') - P"(t"). Одновременно
выполняется также условие Ipv ) = Ipv J . Отсюда из (14.19)
получаем масштаб сил
267

w=(l). (14.20)
Подставляя значение w в (14.17) и учитывая, что v = l/i, получим
масштаб времени процесса, необходимый в частности для
конструирования ударной волны в модельном эксперименте,
i = д/m/Z .
Далее необходимо обеспечивать моделирование гравитационных
сил (веса). Условия моделирования действия ударной волны
предписывают масштаб сил (14.20), с другой стороны w=mg.
Приравнивая эти выражения, получим масштаб ускорений силы
тяжести и вообще линейных ускорений при движении
g = (j)/m. (14.21)
Итак, мы видим, что при возможности создавать искусственные
гравитационные поля, например, с помощью центрифуги, пока
имеется два независимых масштаба I и т . Остальные масштабы
определяются в зависимости от I и т , причем для правильного
моделирования необходимо обеспечить только три масштаба: давления
Р = 1, времени i = ^jrn/l (для ударной волны) и ускорения
свободного падения g = \lj Jrn . Масштабы измеряемых в
эксперименте величин имеют значения: для сил реакций w = Ш , линейных
перемещений I, угловых перемещений ф = 1, линейных скоростей
v = l/i = \lj (m)" , угловых скоростей ф = l/i = (z j (m) ,
линейных ускорений v = v/i = \lj (ra)~ , угловых ускорений
ф = ф/f = l(m)~ .
Эффект фазы дифракции может оцениваться ее импульсов с
масштабом
S=wi = (lf2(m)l/2. (14.22)
Длительность фазы дифракции т имеет порядок
т = КВ/Бф (К « 3) ,
где В — размер объекта вдоль потока для ударной волны со
скоростью фронта Бф.
268

Масштаб для длительности фазы дифракции т = ljВф , причем
при Р = 1 масштаб скорости фронта ударной волны будет Вф = 1
и т = I, т.е. масштаб т не согласуется с масштабом времени
процесса t . Таким образом для моделирования импульса фазы
дифракции необходимо наложить ограничение на масштаб времени
f = T = Z. (14.23)
Это в свою очередь ограничивает выбор масштаба массы и
ускорения силы тяжести
m={tfl =(/) , (14.24)
g = {lYl. (14.25)
Таким образом остается единственный независимый масштаб I,
который может приниматься сообразно с экспериментальной
ситуацией.
Остановимся на случае, когда в эксперименте невозможно
обеспечить моделирование ускорения силы тяжести, т.е. когда масштаб
g = i.
Учитывая существенное влияние гравитационных сил, особенно в
фазе установившегося обтекания, масштаб этих сил можно
сохранить в соответствии с требованием (14.20) за счет изменения
масштаба плотности (массы). При этом естественно будет нарушено
подобие по импульсу фазы дифракции.
Подставляя g = l в (14.21), получим соотношение между
масштабами т и I
m =(/)2, (14,26)
т.е. опять остался один независимый масштаб, — в данном случае /
или т . Поскольку т определяется через масштаб плотности ~р
модели \т = p(z) J , то
р = m(z)"3 =(z)_1. (14.27)
Выбирая предельно возможное значение р* (например, для
модели из свинца) найдем предельный масштаб Z*
k=fc)~l. (14.28)
269

Определим масштаб времени
f = y/mjl = VF = (р)"~1/2 . (14.29)
Условие I = (р*) может быть реализовано для не очень
тяжелых объектов. Очевидно согласование масштабов i и т
невозможно, в связи с тем, что i = л/1 , а для моделирования импульса фазы
дифракции требуется т = I.
Обычно влияние гравитационных сил более существенно, чем
импульса S, поэтому с такой несогласованностью можно
примириться, так как некоторое нарушение масштаба v в начале движения
не приведет к заметному нарушению подобия в целом. При
моделировании гравитационных сил надлежащим выбором масштаба
плотности необходим масштаб S = \lj , что дает масштаб скорости
v = у/1 ; в опыте получаются масштабы S = Ш и 5 = 1, т.е.
начальные скорости будут несколько занижены, что уменьшит влияние
фазы дифракции.
Далее рассмотрим условие моделирования сил реакции связей.
Выше указывалось, что для подобия движений необходима
эквивалентность связей модели и натуры, что обеспечит подобие сил,
возникающих при взаимодействии смещающегося объекта с грунтом.
Учитывая сложность явлений, остановимся на простом случае
смещения по шероховатой поверхности. При достаточно малых
скоростях возникающие силы сопротивления Т определяются законом
Кулона Т = \\N , где N — сила нормального давления, \х —
коэффициент сопротивления сдвигу. Так как ц — величина безразмерная
(Т и N имеют одинаковые размерности), она является инвариантом,
т.е. имеет масштаб
jl = l. (14.30)
Таким образом для моделирования сил реакций связей
достаточно обеспечить равные коэффициенты ц для модели и натуры, что
достигается идентичностью связей (в данном случае — фактур
трущихся поверхностей).
В таблице 14.1 приведена сводка масштабов моделирования.
Этими данными следует пользоваться при постановке модельных
экспериментов и обработке (пересчете на натуру) результатов
измерений. Напомним, что натурные параметры движения соответствуют
сходственным моментам времени t" = t'/i.
270

Таблица 14.1. Масштабы физического моделирования динамики
незакрепленных объектов под действием ударной волны (А — без
учета, Б — с учетом импульса фазы дифракции; выделенные
рамками масштабы, не согласованные с основными масштабами
процесса, относятся к фазе дифракции)
Наименование и
обозначение масштабов
Независимых 1
1 Подлежащих
соблюдению
в модельном
эксперименте
1 Для величин,
измеряемых
в
эксперименте
Линейных размеров
Массы
Массы
Давлений
Времени
Ускорения силы тяжести
Силы
Линейных перемещений
Угловых перемещений
Линейных скоростей
Угловых скоростей
Линейных ускорений
Угловых ускорений
Импульса силы
Времени
1
т
т
Р
i
ё
W
х,у
Ф
V
—•
V
—••
S
i
Моделирование |
с центрифугой |
А
1
т
1
И,/2(0",/2
И"1®1
ю1
1
1
Б
1
1
Г
11)-'
(О*
1
1
1
(Г
й-
г
(0*
1
без цен- 1
трифуги
1
(О1
и'"
1
й1
Г
1
(01/2Ф1
Г/2
1
ОТ'
W\
Ы"
271

Необходимо заметить, что без центрифуги удается моделировать
движение лишь объектов с небольшой средней плотностью. При
использовании центрифуги следует иметь ввиду, что развиваемое на
ней ускорение складывается с ускорением силы тяжести. Поэтому
равнодействующая ускорения во время работы центрифуги,
вращающейся в вертикальной плоскости, будет изменяться. Чтобы
получить достаточно стабильную величину масштаба ускорения, нужно
стремиться к тому, чтобы ускорение, создаваемое при вращении
центрифуги, в несколько раз превышало ускорение силы тяжести.
Это достигается выбором надлежащего масштаба I, т.е. размеров
модели. Так как согласно табл. 14.1 при моделировании на
центрифуге масштаб g = (l) , то, например, для модели с масштабом
I = 0,05 получим требуемое ускорение g' = g"g = g\l) = 20g ,
что вполне приемлемо. Метод центробежного моделирования
является наиболее гибким и позволяет избежать громоздких тяжелых
моделей. Он в ряде случаев дает возможность произвольного выбора
масштабов Гит, которые ограничиваются техническими
характеристиками центрифуги, и в частности максимальным
коэффициентом перегрузки.
При моделировании параметров движения объекта с помощью
взрыва модельного заряда ВВ с массой Qm этой величине ставится
в соответствие масса натурного заряда Qn. Эффект от действия
ударной волны взрыва определяется тремя основными параметрами:
массой Qn , высотой взрыва Н и радиусом Я, а для наземного
взрыва (Я = 0) - двумя: Qn и R.
При необходимости параметр Л может быть заменен давлением
АРф . Если центрифуга не используется, то в модельных опытах
необходимо соблюдать масштабы m = (/ J , р = 1, i = V/ , где
согласно табл. 14.1 масштаб I предполагается независимым. В случае
моделирования без центрифуги ("масштабом плотности"), удобней в
качестве независимого брать масштаб массы или плотности.
Согласно закону подобия (13.1), обеспечивающему соблюдение
масштаба р = 1,
?М. = Щ. = I±M. = = (14.31)
272

Чтобы согласовать временные масштабы, приравняем t = т+.
Это дает следующие расчетные формулы для моделирования
^ = 3& = VNV^f, (14.32)
R \Qn
где RM — расстояние до моделирующего заряда ВВ с массой QM,
на котором длительность фазы сжатия имеет значение х+м.
Как видим, масштабы расстояний до эпицентров не согласованы
с масштабом I, в чем и нет необходимости.
При моделировании движения большую роль играет средняя
плотность рн = тпн/1% натурного объекта. По мере увеличения
параметра рм моделирование без центрифуги становится все менее
экономичным, так как средняя плотность модели рм = тпм/1^ ,
вообще говоря, ограничена плотностью ее материала (например,
плотностью свинца р* = 11,3 • 103 кг/м3) . Действительно, из
формулы (14.28) видно, что масштаб размеров находится в обратной
зависимости от масштаба шютности I = 1/р, т.е. наименьший
масштаб размеров ограничен значением Zmin = рк/р* , которое для
объектов с большой величиной рм не всегда является приемлемым.
Увеличение размеров модели и масштаба I, как следует из (14.32),
приводит также к росту массы заряда QM . Поэтому при постановке
модельных экспериментов желательно оценить их рентабельность.
Например, для натурных объектов с плотностью порядка
рн = 600 кг/м3 имеем /min = 600/ll,3-103 = 0,053. По формулам
(14.32) можно определить расстояние RM и массу QM
RM = Ryfl = Ry[0fi53 = 0,23Л,
Qm = Qnffi = 0j0,0533 = 0,012Q„ .
Для не слишком высоких плотностей условия моделирования
облегчаются. Например, при рн = 200 кг/м3,
Zmin = 200/11,3 - Ю3 = 0,0177 , QM = QwA/o,01773 = 2,35 • 10~3Qn ,
т.е. модель изготавливается в меньшем масштабе, а моделируется
эффект большей массы Qn .

Выше рассматривались возможности полного физического
моделирования. Для определения нагрузок в фазах дифракции и
квазистационарного обтекания можно использовать частичное
моделирование. Так, для фиксации на модели импульсов фазы дифракции
можно не соблюдать условия моделирования последующего
движения, т.е. исключить из рассмотрения влияние ускорения силы
тяжести.
Принимая масштаб для давления р = 1, получим W = \lj и
т = Z. Такой случай разобран вьнпе (см. вторую колонку табл. 14.1)
и можно выписать действующие масштабы (точка сверху означает
производную по времени)
v = 1, V = (z)~\ $ = (z)~\ $ = (z")~2.
В эксперименте достаточно обеспечить только соблюдение двух
масштабов р и ~т при одном независимом масштабе / . Основными
параметрами, подлежащими измерению, являеются начальные
линейные и угловые скорости, которые соответствуют импульсу S и
моменту импульса Smom фазы дифракции.
Могут быть предложены различные схемы эксперимента по
определению импульса фазы дифракции. В зависимости от способа
закрепления модели можно фиксировать ту или иную часть импульса
или же полный импульс фазы дифракции. Например, если модель
свободно установлена на поверхности преграды, то результирующий
импульс, действующий на модель, будет равен разности импульсов
фазы дифракции и реакций связей. Поэтому в опытах будут
регистрироваться начальные скорости модели, соответствующие реальным
скоростям натурного объекта (с учетом масштабных
коэффициентов).
Если модель с помощью гибких нитей подвесить на небольшом
расстоянии от основания, она превратится в баллистический
маятник. При этом регистрируемые на модели начальные скорости будут
соответствовать полному импульсу фазы дифракции. Компоненты
импульса фазы дифракции могут быть зарегистрированы также с
помощью динамических тензовесов по схеме рис. 14.7а.
Трехкомпонентные динамические тензовесы предназначены для
регистрации интегральных (суммарных) нагрузок, возникающих
при взаимодействии ударной волны с объектом в фазах дифракции
и квазистационарного обтекания. Эксперименты на тензовесах, как
274

правило, проводятся с маломасштабными моделями в ударных
волнах, образуемых при взрывах зарядов бризантных ВВ.
Тензовесы представляют собой комбинацию чувствительных
элементов, реагирующих на компоненты нагрузки от ударной волны,
действующей на модель. Чувствительный элемент 1 (рис. 14.76) —
стальная цилиндрическая трубка, жестко прикрепляемая к стенду 2.
На другой конец трубки жестко посажен второй чувствительный
элемент 3. Он состоит из корпуса 4, имеющего хвостовик 5 для
сочленения с трубкой, цилиндрического стакана со спиральной
пружиной 6, муфты 7, зажимающей жесткий стержень 8 с фланцем 9
для закрепления модели 10. Стержень запрессован на подшипниках
11 в корпус. Чувствительные элементы защищены от прямого
воздействия ударной волны кожухом 12 обтекаемой формы.
При действии ударной волны на модель происходят вынужденные
колебания чувствительных элементов. Чувствительный элемент 1
изгибается в двух плоскостях, причем деформации в плоскости XOZ
определяются лобовой силой, а в плоскости YOZ — подъемной
силой. Деформации трубки от изгиба регистрируются спаренными тен-
зодатчиками сопротивления, причем датчики Twl TW2 реагируют
на лобовую, а датчики ТА1, Т^ — на подъемную силу.
Использование спаренных диаметрально противоположных тензодатчиков
позволяет скомпенсировать влияние паразитных сигналов от кручения
трубки моментом, передающимся через пружину. От действия
аэродинамического момента происходят крутильные колебания модели
вместе со стержнем 8,
фиксируемые по деформациям
пружины 6 с помощью
тензодатчиков ГМ1, ТМ2. Пружина
блокирована от изгиба
достаточно жестким стержнем 8. Это
исключает возможность
влияния на регистрацию момента
паразитных сигналов от
действия лобовой и подъемной сил.
Таким образом конструкция
тензовесов обеспечивает
синхронную фиксацию трех
компонентов суммарной нагрузки
— лобовой, подъемной силы и
й.А
«Sw.W
-£.
v^
■Ч:
Рис. 14.7а. Схема эксперимента по
снятию дифракционных и
аэродинамических нагрузок на тензовесах
методом зеркального отражения: 1 —
рабочая, 1 — парная модель, 2 —
плоскость симметрии, 3 — фронт ударной
275

момента с учетом компонентов импульса фазы дифракции.
Поскольку интересуются воздействием потока на объект,
расположенный на грунте (рис. 14.6), в экспериментах необходимо
имитировать грунтовую поверхность. Для этого может применяться
плоский экран. На тензовесах (рис. 14.7) предусмотрена возможность
установки двух спаренных моделей, что позволяет методом
зеркального отражения определять нагрузки на рабочей модели в
зависимости от угла ф и расстояния hz. Вторая нерабочая модель 13
закрепляется на державке 14, не связанной с чувствительными
элементами. Вследствие симметрии картина обтекания каждой из моделей
будет аналогичной обтеканию объекта на плоской поверхности.
Выбор положения модели, закрепляемой на тензовесах, производится в
соответствие с натурной ориентацией относительно фронта ударной
волны.
3 12
Динамические тензовесы с закрепленной
Тарировка
чувствительных
элементов
производится
статически. При
тарировке
изгибаемого
элемента к центру
тяжести модели
подвешивается
груз весом Р и
регистрируется
отклонение Нт
луча на экране
осциллографа в
результате де-
Рис.14.7б
моделью
формации тензодатчиков. На линейном (рабочем) участке дефор
мации определяется тарировочный коэффициент а = Р/Нт .
Находят два коэффициента ctj, a2, соответственно для лобовой и
подъемной сил, так как для регистрации последней используется
большее усилие. Тарировка скручиваемой пружины производится на
специальном устройстве, приложением известного момента Мк?.
Тарировочный коэффициент а3 определяется делением Мк? на
величину отклонения луча на экране осциллографа за счет
деформации пружины.
276

Чувствительные элементы совместно с моделью в силу
конструктивных особенностей тензовесов могут рассматриваться как
колебательная упругая система с тремя степенями свободы, для которой
можно пренебречь взаимным влиянием изгибных (в двух
плоскостях) и крутильной форм колебаний. Достаточная жесткость
чувствительных элементов, кроме того, позволяет настолько ограничить
амплитуды малых колебаний, что влияние поворота модели в потоке
на аэродинамические силы будет несущественным.
Если чувствительные элементы с моделью имеют периоды
собственных колебаний, значительно превышающие время т фазы
дифракции Т » т, то эффект фазы дифракции может
рассматриваться как мгновенный импульс S. Если кроме того Т « т+, т.е.
угасание давления за фронтом волны идет сравнительно медленно,
то в течение нескольких первых периодов колебательные процессы
будут происходить в условиях известного стационарного воздействия
при ненулевых начальных скоростях, возникших за счет импульса
S. При известных параметрах колебательной системы и ударной
волны по деформациям от изгиба (в горизонтальной и вертикальной
плоскостях) и от кручения чувствительного элемента, измеряемым с
помощью тензодатчиков и осциллографа, определяются компоненты
импульса и его момент, а также аэродинамические характеристики
объекта.
Учитывая сделанные предположения, можно записать в единой
форме следующие независимые уравнения движения системы,
соответствующие стационарному участку ударной волны й боковой
ориентации модели относительно потока
ту + С\|/ = П. (14.34)
Здесь под vj/ будем подразумевать линейные (X,Y) или угловые (ср)
перемещения модели; га — приведенные массы или центральный
момент инерции массы системы; С — приведенные жесткости
(СЛ, Су, Сф); Q(£)=const — стационарные аэродинамические
нагрузки, действующие на модель
^w=W = CwZ2PCKqb(l + l/4M|);
ал = А = СА12Рскф; (14.35)
&-М = Щ = СМ1 Рскф-
277

Решение уравнения (14.34) при начальных условиях \|/(0) = 0,
\j/(0) = \j/0 имеет вид
\K = ^smco* + -^-(l-cosco*), (14.36)
со rrmz
где со = tJc/гп — частоты собственных изгибных (<ох,(йу ) или
крутильных (соф) колебаний; \j/0 — скорости за счет компонентов
импульса фазы дифракции.
Дифференцируя (14.36) по времени и приравнивая производную
\j/(*m) = 0 нулю, получим соотношение
vj/0=- —tgcofm, (14.37)
гасо
где tm — момент достижения максимумов деформации
чувствительных элементов.
Подставляя t = tm, \\fm = v|/(*m) в (14.36), с учетом (14.37)
получим
Q= ""^ = С^ . (14.38)
1 - sec со tm 1 - sec <otm
Аэродинамические коэффициенты могут быть найдены с
помощью формул (14.35).
Так как в упругой системе потерь количеств движения при
действии импульса не происходит, начальные скорости будут
соответствовать полному импульсу фазы дифракции. Обозначив через S
компоненты импульса Sw, SA или момент импульса Ms, можно
записать
S = туу0 = - —tgco tm = ^-ctgco tm . (14.39)
со со
Этой формулой можно пользоваться при обработке
экспериментальных данных, если известны аэродинамические коэффициенты
объекта, полученные продувкой модели в аэродинамической трубе,
т.е. величины Q,. В этом случае импульсы S определяются по
параметрам со, tm, фиксируемым на осциллограмме по метке времени.
Таким образом, с наличием аэродинамических характеристик
объекта при определении в опытах импульсов фазы дифракции отпадает
необходимость в измерении деформаций чувствительных элементов
и следовательно — в их тарировке.
278

При обработке экспериментов, проводимых на тензовесах,
необходимо иметь значения частот со, являющихся обобщенными
характеристиками тензовесов с моделью как колебательной системы.
Значения со берутся непосредственно из осциллограмм.
Момент импульса Ms, вычисляемый по частоте со ф крутильных
колебаний, соответствует оси Z, независимо от распределения масс
по объему модели. Чтобы измеряемая на тензовесах величина Ms
соответствовала центральной оси инерции натурного объекта,
модель следует установить так, чтобы ось симметрии Z чувствительных
элементов проходила через точку, изображающую положение
центра массы натурного объекта. Если точка модели, соответствующая
положению центра массы натурного объекта, расположена на
расстоянии hm от оси Z, то момент импульса Ms относительно
центральной оси Z' определяется через измеренный момент М\ по
формуле
Ms=M*s-hmSw. (14.40)
Аналогичное замечание касается измерений аэродинамического
коэффициента момента причем, если hm & 0, пересчет
производится по формуле
CM=CM-hmCwJl. (14.41)
Модуль главного вектора импульса фазы дифракции имеет
значение
S = V^+Sl, a, = arctg(SA/Sw), |а,| < тг/2,
где а5 — угол между S и осью X.
Эксцентриситет полного импульса относительно центра массы
модели
hs=Ms/S. (14.42)
В экспериментах возможны случаи vj/0/Q > 0 или vj/0/Q < 0 .
Первый случай соответствует совпадению направлений действия
импульса и квазистационарной силы (например, для лобовой силы и
компонента импульса фазы дифракции, действующих вдоль
потока). При этом первый максимум колебательного процесса лежит в
интервале n/2<otm<n. Случай vj/0/£2 < 0 может возникнуть
при регистрации подъемной силы и момента. Тогда \ут может
находиться в интервалах 0 < со tm < п/2, п < со tт < Зтс/2 , причем в
279

первом случае \\fm имеет отрицательное значение по отношению к
направлению квазистационарной силы от скоростного напора и
легко выделяется на осциллограмме (рис.14.8).
Для более точной регистрации импульса фазы дифракции при
\\г0/О,> 0 нужно стремиться к тому, чтобы величина со tm была бы
как можно ближе к тс/2 . Это достигается надлежапщм выбором
параметра со, для чего тензовесы имеют набор чувствительных
элементов с различной изтибной и крутильной жесткостью и блокирующее
устройство, позволяющее повышать жесткость изгибаемого элемента
вдвиганием штанги 14 внутрь трубки 1 (рис.14.6).
При прочностных расчетах объектов особую роль приобретают
инерционные силы, зависяпще от ускорений, т.е. в конечном счете
от максимальных значений нагрузок, развиваемых обычно в фазе
дифракции. Поэтому при изучении колебаний и динамической
прочности элементов объектов фазу дифракции следует рассматривать
как процесс конечной длительности (многие внешние элементы из-
за их высокочастотности получают амплитудные значения прогибов
и напряжений в период дифракции, и замена эффекта этой фазы
мгновенным импульсом оказывается несправедливой). Основной
величиной, характеризующей фазу дифракции, является ее
длительность т, которая приближенно дается выражением т = КВ/Бф .
Параметр т можно определить по экспериментальным значениям
Sw, получаемым
на тензовесах.
Для
определения нагрузок
фазы
установившегося
(квазистационарного)
обтекания не требуется
соблюдения
динамических условий
моделирования.
Выведем
структурные
выражения для системы
активных сил от
воздействия
ударной волны в фазе
Рис. 14.8. Образец осциллограммы, записанной с
датчиков T(t) на тензовесах в опытах на модели:
HmfW А м\ — амплитуды записей, соответствующие
силам W, А, М; максимумы перемещений
\\Jm = аНт/С (ос — тарировочные коэффициенты)
280

установившегося обтекания и получим условия моделирования для
этих сил применительно к твердому объекту. Здесь речь идет о
частичном моделировании, при котором само движение тела не
рассматривается, а движение газа считается установившимся. Это дает
возможность исключить время из числа определяющих параметров и
изучать действие потока на объект с фиксированными
координатами, определяющими его положение.
Прежде всего необходимо оговорить учитываемые свойства
среды. При этом естественно допускается идеализация реального
процесса, причем в зависимости от значимости того или иного свойства
среды в определенной ситуации оно может быть учтено или
исключено из рассматривания.
Воздушную среду будем рассматривать как инерционный
сжимаемый газ, лишенный весомости и теплопроводности и
обладающий свойствами вязкости в пограничном слое, что позволяет
использовать соотношения для идеальной среды (лишенной вязкости)
во внешней области течения.
Воспользуемся аппаратом анализа размерностей, позволяющим
получить общий вид искомых функциональных зависимостей, не
прибегая к математической формулировке задачи. Анализ
размерностей применяется в предположении, что система
определяющих параметров известна, а искомая величина может
быть представлена в виде степенных комплексов.
Систему определяющих параметров можно установить на
основании учитываемых свойств среды. Положение объекта заданной
формы в пространстве относительно набегающего потока вполне
фиксируется координатой центра тяжести hz (расстояние до
поверхности грунта), углами ориентации тела (pf(z = 1,2,3), а его
размеры — некоторым характерным размером Z. Кинематические
условия обтекания, кроме координат, определяются скоростью потока
и, инерционность среды — плотность р, а вязкость —
коэффициентом вязкости ц*. Сжимаемость учитывается параметрами,
входящими в уравнение состояния. Используя уравнение Клапейрона,
получим в качестве таких параметров температуру Г* и
универсальную газовую постоянную Rr.
Будем разыскивать поле давлений Р - Рт на поверхности тела в
точках с координатами Xj (у = 1,2,3). Здесь и в дальнейшем
индексом "оо" помечены параметры в невозмущенном потоке вдали от
тела (на бесконечности)."Запишем систему определяющих парамет-
281

ров: <fi,hz, /, v, р, ц*, Г*, Rr, x'j . Размерности давления и
выписанных п=9 величин выражаются через п' = 4 основных единиц
измерения: длину L, массу М', время Т и температуру Я
[Р] = M'L-lT-2,[%] = l,[v] = LT~\
[р] = M'ZT3, [щ] = М'1Г1Т~\ [TJ = Я,
[Дг] = Ь2Т~2К~\ [hz] = [I] = [x'j] = L.
Представим Р-Рм в виде комплекса
Р-РО0 = ахр№Ги»р1\1?т;я$хр, (14.43)
в котором а, р, s, г, со, £, гс, т, 0, х ~~ отвлеченные числа (в общем
случае решение разыскивается в виде суммы таких комплексов).
Для согласования размерностей приравняем показатели
однотипных единиц измерения левой и правой частей выражения (14.43):
(М')... 1 = £ + п; (L)... - 1 = г + s + х - 3£ - п + со + 2G;
(Т)... - 2 = -п - со - 20; (К)... О = т - 0.
Входящие в эти четыре уравнения восемь величин можно
выразить через любые четыре, например, через s, г, §, т, тогда
0 = т; п = 1 - £; со = £ - 2т + 1; ^ = ^-г-5-1.
Подставив эти выражения в (14.43), получим
Р-Р„ = a9f/i^ri;^2x+VVi"^xi?^-r-5-1. (14.44)
Произведя группировку в безразмерные комбинации с
одинаковыми показателями, найдем
i£t) (14.45)
JkRjiT*
Это выражение показывает общий вид безразмерной искомой
функции Ср, встречавшейся ранее и носящей название числа
(критерия) Эйлера или коэффициента давления. Безразмерная
комбинация Re = plv/ti* называется числом Рейнольдса, а комплекс
М = v/^kRrT* - v/C — есть число Маха. На значения а, р, г, s, т,
§ никакие ограничения не наложены, поэтому предыдущая формула
может быть записана в виде
2(Р - P„)/(pv2) = Cp(9f,M,Re,/ir/Z,x;//). (14.46)
282

Числа Re и М являются важнейшими критериями
(инвариантами) подобия. Число Re учитывает вязкие свойства среды,
характеризуя соотношение сил инерции и трения. Число М учитывает
сжимаемость среды и характеризует отношение сил инерции и
давления.
Согласно теории размерностей, любая безразмерная комбинация,
зависящая от определяющих параметров (и в частности — число
Эйлера) является функцией критериев подобия. Следовательно,
такая комбинация также является критерием подобия. В
рассматриваемом случае соблюдение динамического подобия, требующее
постоянства числа (критерия подобия) Эйлера, возможно при одних и
тех же значениях всех независимых критериев подобия в модельных
и натурных условиях, что обычно записывается следующим образом
Фг = idem; hz/l = idem; Xj jl = idem;
M = idem; Re = idem.
Следует обратить внимание на возможность получения критериев
подобия более коротким путем, непосредственно применяя
7с-теорему, основанную на теории размерностей. Уравнение
физического процесса в виде
ZAUilU$2...U™ = 0
(A, at — отвлеченные величины) путем деления на любой из его
членов может быть приведено к безразмерному виду
EATlf +1 = 0 или Ч/(П«) = 01 (14.47)
Если число основных единиц измерения для п величин Ul,...Un
есть п\ а размерности всех U подчинены i уравнениям
[П,] = [П2]=... = [Пг] = 1,
то между величинами U должно существовать i = п - п'
комбинаций П.
Итак, уравнение физического процесса, связывающее п величин
[/, для которых имеется п' независимых единиц измерения
(размерностей) может быть приведено к зависимости между
j = п - п' безразмерными комбинациями. Это важнейшее
положение теории размерностей, известное под названием я-теоремы,
позволяет непосредственно конструировать критерии подобия как
безразмерные комбинации (комплексы и симплексы) из числа U
физических величин.
283

Так как из i комбинаций одна (любая) может быть выражена
через остальные /-1 с помощью уравнения (14.47), то ясно, что
из j критериев подобия будем иметь j - 1 независимых. В
рассмотренном случае для п = 10 физических величин Р,
(ft, hz, Z, и, р, ц*, Г*, Rr, x'j, было четыре (п' = 4) независимых
размерностей: длина, масса, время и температура. Поэтому из п
величин можно сразу образовать 7=10—4=6 безразмерных
комбинаций и записать уравнение типа
4?(cp,M,Be,vi9hz/ltx'j/l) = 0. (14.48)
. Если в качестве искомой величины принять Ср, то получим
уравнение (14.46), где в правой части фигурируют пять
независимых критериев подобия.
Запишем важное практическое правило, вытекающее из
л;-теоремы: из числа п = п - 1 определяющих параметров, для
которых имеется п' <п° независимых размерностей, можно
образовать п -п' независимых безразмерных комбинаций, которые в
качестве аргументов определяют безразмерную искомую функцию.
Выше рассматривалось давление на элементарную площадку.
Используем тс-теорему для определения суммарных сил,
действующих на объект (случай плоского движения): аэродинамического
момента М0 лобовой W ъ подъемной А сил. Так как при этом
элементарные силы необходимо интегрировать по поверхности тела, то
переменные Xj/l исчезают и их следует исключить из числа
определяющих параметров (т.е. теперь п° =8). Поэтому безразмерные
искомые функции будут выражаться через 8 — 4 = 4 безразмерные
величины ф£, M,Re, hz/l (см.(14.7)):
2w/(z V) = cw(<Pi< M'Re' **/');
2A/(zV) = CA(q>|fMfRef fcjl); (14.49)
2M0/(Z V) = CM (Ф|, M,Re, hz/l).
Функции Cw, CA, См называются аэродинамическими
коэффициентами сопротивления. Для получения этих коэффициентов в
опытах на модели необходимо соблюдение условий
Фг = idem; hz/l = idem; M = idem; Re = idem. (14.50)
284

14.3. Аэродинамика стационарных объектов
прямоугольного очертания
Многие строительные сооружения имеют форму, близкую к
параллелепипеду. Поэтому для выяснения ударно-волновых нагрузок
на объекты в качестве обобщенной модели используют
параллелепипед малых размеров. На этих же моделях можно получить оценки
нагрузок на незакрепленные объекты (например, транспортные
средства), если имитировать дорожный просвет и в опытах менять
угловые координаты.
Ниже приводятся результаты экспериментов по силовому
взаимодействию стационарного воздушного потока и воздушной ударной
волны с твердым телом в форме параллелепипеда, расположенного
вблизи твердой плоской преграды — экрана (рис. 14.9а). Получены
общая качественная картина обтекания параллелепипеда, изменение
давлений в различных точках контура, а также интегральные
дифракционные и квазистационарные нагрузки. Методом зеркального
отражения (имитирующим преграду) сняты коэффициенты
сопротивления параллелепипеда при продувках в аэродинамической трубе
при различных числах Маха.
Общая качественная картина обтекания параллелепипеда с
острыми кромками "бесконечной длины" у экрана при Н/1 = 0,44;
h/l = 0,12; ф = 0 показана на рис. 14.10, где представлены
фотоснимки теневого спектра, полученные в импульсной ударной трубе
ФТИ при числе Маха на фронте волны М = 0,85 (соответствующее
давление АРф = 0,185 МПа).
Зафиксировано два момента времени t} и t2, отнесенные к
параметру t* = 1/Оф , (Вф — скорость фронта волны, время t отсчиты-
вается от момента соприкосновения фронта волны с
параллелепипедом).
На снимках видна система падающих и отраженных волн, а
также срывные потоки. Из анализа распространения фронта
падающей волны можно заключить, что давление на фронте при про-
бегании волны над верхней гранью существенно не меняется, тогда
как давление на фронте со стороны нижней горизонтальной грани
несколько возрастает и при t = t2 заметно обгоняет фронт
невозмущенной волны. Из второго снимка виден процесс затекания
волны за тыльную грань. На верхней грани около фронтальной кромки
образуется вихревой поток как следствие перетекания газа из облас-
285

в
та высоких давлений в
районе фронтальной
грани на верхнюю
грань
параллелепипеда, что вызывает
разрежение на ней.
На нижней
плоскости, ближе к
фронтальной грани, видна
звуковая линия,
соответствующая границе
области отражения.
Данные спектра
дифракционного
обтекания показывают
наличие разности
давлений, создающих
подъемную силу и
опрокидывающий момент в
начале процесса
обтекания.
При определении
распределенных и
интегральных нагрузок
на параллелепипед
при взаимодействии с
воздушной ударной
волной избыточные давления измерялись с помощью
малогабаритных мембранных датчиков с полупроводниковыми
высокочувствительными тензорезисторами, изготовленными из германия (диаметр
28 мм, основная частота собственных колебаний мембраны 20 кГц).
Интегральные нагрузки определялись по схеме баллистического
маятника и с помощью динамических тензовесов. В первом случае
нагрузки в функции времени вычислялись через измеряемые
акселерометрами ускорения, а во втором нагрузки в фазе дифракции в
форме мгновенных импульсов находились по параметрам колебаний
тензовесов. Основная частота собственных колебаний акселерометра
составляла 3 кГц.
В качестве усилителя использовалась тензостанция УТС-ВТ-12
с несущей частотой 35 кГц. Осциллографирование производилось на
гальванометрах с рабочей полосой частот 0...3 кГц.
Рис.14.9. Схемы экспериментов с моделями:
а) параллелепипед (1 — модель, 2 — экран,
3 — поток); б), в) транспортные средства
286

Рис.14.10. Теневые спектры обтекания
параллелепипеда у экрана при АРф = 0,185 МПа:
1) tJU = 0,625, 2) t2/U = 1,21
Как показал
анализ
измерительных трактов,
наиболее
низкочастотным звеном цепи
при регистрации
давлений являлся
гальванометр
осциллографа, а при
регистрации
ускорений —
акселерометр, причем
систематические
динамические и
случайные
погрешности в сумме не
превышали 15%.
Приводятся результаты измерения давлений по контуру (на
гранях) неподвижного параллелепипеда (из бетона) с размерами Z=0,6
м; Н/1 = 0,6; lz/l = 2 при h/l = 0,2, (р = 0 (величина lz — третье
измерение модели (рис.14.11)). Типичные осциллограммы давлений
на гранях параллелепипеда и в невозмущенной волне с давлением
на фронте АРф = 0,24
МПа и длительностью
фазы сжатия 9 = 0,03 с
даны на рис. 14.12. Номера
осциллограмм
соответствуют номерам датчиков на
рис.14.11, причем датчик
№01 расположен
заподлицо с поверхностью
твердой преграды вдали от
параллелепипеда и
фиксирует давление в волне. Датчики №№ 2, 5, 8, 10 расположены
симметрично, а остальные на некотором расстоянии от граней: а/1 =
0,14; 6/Я= 0,18.
Характерное время взаимодействия волны с параллелепипедом
составляло U = 1/Бф = 0,б/594 = 1,0 • 10~3 с, т.е.
Рис.14.11. Схема опыта: 1 — модель; 2
преграда; 3 — ударная волна; N 01, 1...10
номера датчиков
отношение
287

ОД* = 30 » 1 вполне
достаточно, чтобы судить об изменении
давления в фазе дифракции.
Как видно из осциллограмм, в
период дифракционного
обтекания изменение давления на
гранях качественно отлично от
давления в невозмущенной волне.
На рис. 14.13а показана
полученные обработкой осциллограмм
изменения давлений на
фронтальной и тыльной гранях при
АРф = 0Д26 и 0,37 МПа.
Времена t* были соответственно
равны 1,22 и 0,864 с. Время
перехода xw к режиму
квазистационарного обтекания различно
для указанных граней. Для
фронтальной грани т w /t* ~
3,0...3,5. Для тыльной грани
время перехода (в сумме со
временем пробега волны до грани)
составляет i'wjU ~3,5...6,0.
Максимум давления
отражения на фронтальной грани
параллелепипеда соответствует давлению отражения от твердой
стенки. На тыльной грани давление вследствие затекания ударной
волны увеличивается постепенно до квазистационарного уровня
(штриховые линии на рис.14.13а). В результате значительной
разницы в давлениях на фронтальной и тыльной гранях в начале фазы
дифракции возникает смещающая сила.
Средние нагрузки, действующие на параллелепипед (смещающие
нагрузки) приблизительно можно оценить суммированием средних
давлений, действующих на противоположные грани. На рис.14.136
показано изменение средней смещающей силы, полученное по
показаниям датчиков на фронтальной и тыльной гранях для двух
указанных выше значений АРф . Следует отметить, что длительность
установления обтекания для этой силы определяется процессами у
тыльной грани, т.е. длительность фазы дифракции для параллеле-
01
1
2
3
4
5
6
7
8
9
U
И
ы
к
S
-*^
—.—
-v»
v^
^—L
к-^
г
500 гц
\о,02с\ 1
Рис. 14.12. Осциллограммы
давлений на гранях параллелепипеда
при ф = 0 датчиками 01, 1...9
288

пипеда в целом
соответствует
времени установления
обтекания тыльной
грани с учетом
пробега волны
вдоль объекта.
В фазе
квазистационарного
обтекания давление
на вертикальных
гранях было
близким к сумме
статического давления в
волне и давления
от скоростного
напора с учетом коэффициентов давления, взятых из данных продувок
параллелепипеда в дозвуковой аэродинамической трубе. При
продувках модели по схеме рис. 14.7а при ср = 0 получены следующие
значения коэффициентов давления Ср = АР/РСК для центров
граней: фронтальной Ср = 1, тыльной Ср = -0,5, верхней Ср - -0,45,
нижней Ср = 0,1 (АР, Рск — давления, измеренные на гранях
модели, и скоростного напора в невозмущенном потоке).
В процессе пробегания волны вдоль горизонтальных граней
параллелепипеда давление на них за фронтом ударной волны
понижается (см. осциллограммы от датчиков 1...3 и 4...6), а затем
постепенно растет до значений, соответствующих квазистационарным.
Область пониженного давления начинает развиваться вблизи
передней кромки параллелепипеда, затем распространяясь вдоль потока
на всю верхнюю грань.
Из сравнения этих результатов с данными теневого спектра
следует, что понижение давления является следствием образования
вихря у передней кромки верхней грани. Таким образом, механизм
понижения давления на верхней грани не связан с
распространением волны разрежения навстречу потоку из зоны местного
понижения давления на тыльной грани модели. На рис. 14.14 показаны
изменения избыточных давлений, зарегистрированных датчиками на
верхней и нижней гранях параллелепипеда при давлениях АРф до
0,3 МПа, а также средневзвешенные данные. Видно, что
переходов
0,2\
а 0,4,
ЛРф-0,126МПа
12 16 20 t.MC
о,4
АИф-0,37МНа
2Р, - 0,2\
12 W 20 ttj*c 0
&Р+*0,126 МЛа
8 12 16 20 t,MC
АРф'0,Я7МПа
12 1в 20 t,MC
Рис.14.13. Изменение давлений: а) на фронтальной
(Р\о) и тыльной (Pg) гранях; штриховая линия —
расчетное квазистационарное давление на тыльной
грани; б) результирующего по разности показаний
датчиков Р10 - Pg
10 — 1087
289

та
a 16 t,Mc и
Рис.14.14а. Давления Роъ Pi-..Рб п°
Датчикам №№ 01, 1...6 и средневзвешенные:
Р# — по трем датчикам на верхней грани
(1...3), Р# — на нижней грани (4...6) при
АРф = 0,126 МПа
ные времена тА для
горизонтальных граней
значительно больше, чем для
вертикальных. Так, для
АРф = 0,126 МПа
tJu ~5,5...6,5.
Переходное время (отнесенное
к характерному) растет с
давлением.
При АРф = 0,24 МПа
tJU = Ю...11, а при
АРф = 0,3 МПа
tA/U = 12...13. Судя по
разностям давлений,
зафиксированных
датчиками на противоположных
гранях, с учетом
набегания волны, можно
ожидать возникновения
импульса фазы дифракции,
направленного вверх, и
некоторого момента импульса.
Отметим, что полученные данные носят качественный характер.
Сложность и неустойчивость дифракционной картины, а также
фактор случайности не позволяют по измерениям давлений в
отдельных точках поверхности модели получить надежные
количественные оценки суммарных смещающих нагрузок в фазе дифракции.
Интегральные нагрузки, действующие на параллелепипед,
определялись на моделях с равномерной плотностью.
В опытах по схеме баллистического маятника определялись
интегральные нагрузки в фазе дифракции при АРф в диапазоне
0,07...0,4 МПа. Модель из дерева массы 16 кг (Z = 0,3 м, Н/1 =
0,6, h/l = 0,2, lz/l = 2, ф = 0 ) подвешивалась к жесткой раме на
упругой связи. Акселерометры для регистрации вертикальной и
горизонтальной составляющих ускорений были впаяны в центральную
зону модели. Влияние деформаций упругой связи и смещений
модели было несущественным, так как собственная частота системы
модель — связь была достаточно низкой: наибольшая частота верти-
290

0,2-
Щ
Wfe
г—лАр
1 "Л
•
Li.., _i—
V^ :
l. I i r ti- чл im
I
°A
n\
\fc-~\
J— 1
.<4
1 ». .
*'~*'5**^»—
___ 1 .1
кальных колебаний
составляла 4,8 Гц. Это
позволило фиксировать
ускорения и
соответствующие полные нагрузки
вдоль горизонтальной и
вертикальной осей по
крайней мере при
t/t+ < 13, что
перекрывает возможный временной
диапазон процесса
дифракционного обтекания.
Интегральные силы
соответствовали
изменяющимся во времени
ускорениям в масштабе
массы модели. Типичные
осциллограммы ускорений
параллелепипеда
приведены да рис. 14.15.
Численное интегрирование
акселерограмм в пределах
от *=0 до *=3-10-3 с
(диапазон существенно
нестационарного
изменения нагрузок)
показывает, что смещения модели
были весьма небольшими
в сравнении с
характерным размером. Это
позволяет рассматривать дифракционное взаимодействие волны с
моделью как с неподвижным телом.
Графики изменений горизонтальной W(t) и вертикальной A(t)
сил, построенные по результатам обработки акселерограмм и
пропорциональные соответствующим ускорениям X, Y, показывают,
что нагрузки по своему характеру имеют два участка. Первый
участок характеризуется резким (ударным) нарастанием нагрузок до
максимального значения, второй — пропорциональностью нагрузок
скоростному напору в волйе, что соответствует представлениям о
наличии для тела в целом фаз дифракционного и квазистационар-
Рис.14.14б. То же, что на рис.14.14а при
АРф = 0,24 МПа
10*
291

0,2
%
N
VN?
.. i -. i. .. Ъ i
1 . .,;"'■' "'i^e*
0,2-
01-
п
XL
i 1 1
i ^^Г -^^re
t9Mc 24
Рис.14.14в. То же, что на рис.14.14а при
АРф = 0,3 МПа
ного обтекания.
Указанные фазы можно
разграничить, полагая, что с
переходного момента
времени нагрузка обтекания
устойчиво станет равной
произведению скоростного
напора на
соответствующий коэффициент
аэродинамического
сопротивления и характерную
площадь.
Обработка опытов
показала, что длительность
фазы дифракции
интегральных (также как и
распределенных) нагрузок
неодинакова для разных
направлений, причем
функция A(t)
характеризуется некоторым
периодом тАт нарастания до
максимума.
Осредненные по пяти
экспериментам с
АРф = (0,32 ± 0,2) МПа
значения этих
длительностей следующие: для
горизонтального направления
(лобовая сила W)
xmZ - 3-о|б5**' а wn вертикального tas =9*q5£*. Среднее время
40,6,
нарастания подъемной силы до максимума тЛт = 1,8-од^* • Ампли
+0,4
тудные значения лобовой силы Wm = KjAPmFb, К} = 1_0^2 , подь
+0,04
емной силы Ат « K2APmFb , К2 = 0,3315;о5> гДе &Рт - расчетное
давление отражения от твердой стенки, F5 = Н • lz
дель.
боковой ми-
292

Рис. 14.15.
Осциллограммы
горизонтальных (а) и
вертикальных (б) ускорений
модели по показаниям
акселерометров
Полученные на параллелепипеде
экспериментальные зависимости W(t) и A(t)
позволяют аппроксимировать интегральные
нагрузки в фазе дифракции в линейном
виде.
Количественная оценка импульса фазы
дифракции была получена в опытах по на-
гружению ударной волной малогабаритной
модели (I—7,5 см, ff/Z=0,6, lz/l=2) при
(р = 0 и различных h с помощью
динамических тензовесов по схеме зеркального
отражения рис. 14.76. Одна из парных моделей
была закреплена на чувствительном
элементе (консоли) тензовесов, передавая
нагрузки, возникающие от взаимодействия с
ударной волной.
Обработка зарегистрированных
осциллограмм производилась в предположении, что допустима
интерпретация нагрузки в виде синтеза начального импульса фазы дифракции
и квазистационарной силы аэродинамической природы.
Составляющие импульса Sw, SA и момент импульса Ms определялись по на-^
чальным скоростям модели, а аэродинамические силы W, А и
момент Mq вычислялись через амплитуды линейных и угловых
(малых) смещений модели с учетом коэффициентов динамичности
упругого осциллятора (для нагрузки экспоненциальной формы) и
начальных скоростей. В опытах давление на фронте волны
составляло 0,05 МПа (число Маха М = 0,28), а длительность
положительной фазы давления ~ 0,15 с.
На рис.14.16 даны зависимости от параметра h/y/F
безразмерных коэффициентов Kw,yA,%0, характеризующих импульс фазы
дифракции,
Kw = Sw/Sm, уА = SJSW , хо = MS/(SWJ¥).
Здесь S* = 31 • APmF5Д2£)ф1 — характерный импульс,
определяемый через параметры на фронте ударной волны.
Средние значения коэффициентов при hj\F =0,156 составляют:
Kw = 1,55±0,3; уА=0,55±0,2 ; х0=0,21±0,14.
293

Рис.14.16. Параметры Kw, ул, Хо
дифракционной нагрузки на
параллелепипед в зависимости от
полученные на тензовесах (F = llz)
Коэффициент Cw0 может
содержать поправку на
сжимаемость воздуха
\ » У4 М2 . В опытах при
указанном значении числа
Маха поправка была
несущественна (< 2%), поэтому
коэффициент Cwo при
обработке опытов брался из
данных продувок в
аэродинамической трубе малых
скоростей.
На рис. 14.17 приведены
зависимости от
аэродинамических коэффициентов параллелепипеда, полученные на
тензовесах,
W „ А Щ
Cw -
> СА =
FP FP
* * ск ■*■ ± ск
См = fJfr
где Cw, СА, См — аэродинамические коэффициенты лобовой,
подъемной силы и момента.
Так как ось консоли тензовесов проходила через центр модели,
то коэффициенты Хо и См относятся к центральной оси
параллелепипеда. Кружками на рисунке показаны величины, полученные для
/г/лАР =0,156 в дозвуковой аэродинамической трубе при скорости
потока 30 м/с.
На полученные с
помощью тензовесовч данные
могло оказать влияние
искажение дифракционной
картины, вносимое
консолью весов, а также
неизбежные в опытах подобного
типа изгибные и
крутильные колебания системы л
консоль — модель. Впрочем О И U2 b//F
влияние колебаний, по-ви- Рис. 14.17. Аэродинамические коэффици-
димому, было несуществен- енты Cw, CA, См параллелепипеда в за-
ным, так как амплитуды висимости от h/^F при ср=0, получен-
линейных перемещений не ные на тензовесах
294

превышали 0,5 мм, а углового 0,003 рад.
Из рис. 14.16 видно, что с увеличением hj^F до 0,15
безразмерные величины уА, зс0, характеризующие вертикальную
составляющую импульса и момент импульса фазы дифракции, возрастают, а
затем убывают, причем уА становится несущественной величиной
при h/^F >0,22. В фазе дифракции компоненты и момент
импульса неотрицательны, тогда как в фазе квазистационарного обтекания
подъемная сила и момент отрицательны. Таким образом, переход от
одной фазы к другой характеризуется переменой знаков подъемной
ос^
20 ч>'
Рис. 14.18. Аэродинамические
коэффициенты для объекта в
форме параллелепипеда в
зависимости от параметров ср и 7i/VjF.
Для кривых 1...4 h/jF =0,156;
0,25; 0,346; 0,53
y\fO'
*s°
.20' я
-10+/S'
'<-S*
ccA
*,o
O.S
o,s
Ct*
^ ^ч
Г IS'
20'
S'
*0*
"^
"SB
4i
у»-20'\
-ts*
1S'**
20*
^-L
S' O*
<M
\
^
r—zo*
—=£*
o.z
o,o
Рис. 14.19. Поправка на сясиь
маемость воздуха к
аэродинамическим коэффициентам в
зависимости от числа Маха и угла
крена ф для параллелепипеда
295

силы и момента.
Зависимости аэродинамических коэффициентов Cw, СА, См от
параметров ср, h (рис.14.18) получены в дозвуковой
аэродинамической трубе Т—1 ЛГУ малых скоростей (труба с открытой рабочей
частью, диаметр 1,5 м, скорость потока 30 м/с, критическое число
Рейнольдса по шару 3-Ю5, мера турбулентности 0,5).
Аэродинамические силы измерялись с помощью трехкомпонент-
ных весов типа Прандтля, а твердая граница у параллелепипеда
моделировалась деревянным экраном. Кривые С'м соответствуют оси,
пересекающей вертикальную ось симметрии параллелепипеда на
расстоянии /i'/vP = 0,156 от центра его верхней грани. Для
пересчета Хо и С'м к значениям %0, См, соответствующим оси на
расстоянии /гм от указанной, можно использовать приближенные
соотношения (h' + hM — расстояние от новой оси до верхней грани)
Хо=Х'о+Ьм№* CM=Cii+hMCw/^fF.
При не очень малых скоростях потока, когда число Маха
М > 0,3, заметным становится влияние на аэродинамические
нагрузки сжимаемости воздуха. Для уточнения данных, получаемых в
дозвуковых аэродинамических трубах, можно использовать
соотношение, связывающее давление Р и скорость v в изэнтропическом
течении
vT/(t-i)
1 + 1(у-1)М;
1-
.2 Л
vLj
С учетом уравнения Бернулли для струйки идеальной
несжимаемой среды, дающего связь между Р и v для частиц у поверхности
объекта и теми же параметрами на бесконечности Р^, v^
Р + |рт2=Рв+|рт« или Ср
_2(Р-Р00) ^ ра
Р^с
имеем
Р
Р„
l + ±(y-l)M*Cp
С помощью этой формулы можно установить уточненное
значение давления Р на объект в зависимости от числа Маха потока и
коэффициентов Ср , полученных в дозвуковой трубе.
296

Для небольших чисел М^, используя разложение по степеням
M^ , приходим к выражению
pw 2Р8Р 48 р
и, вводя коэффициент давления Ср , учитывающий сжимаемость,
где ер — поправка на сжимаемость
8р =lMiCp(l+^MlCp +±(2-у)(3-2у)М4даСр2-ь...] «|м*Ср.
Поправки для коэффициентов Cw, СА, См можно получить,
интегрируя выражения для давлений по поверхности F объекта.
Например, для Cw имеем
Cw = Cw(l + 8Ш), еш = -£=- \ грСр cos \ух(Ш,
где v|/^— углы, образуемые нормалями к поверхности с осью X, —
функция координат x'j.
На практике используют продувки моделей в аэродинамических
трубах. На рис.14.19 приведены поправки на сжимаемость,
полученные в трансзвуковой трубе, для параллелепипедов по схеме
рис. 14.7а
где Cw, СА, См — коэффициенты, полученные в тех же опытах
при числе М = 0,3.
Положительное значение угла ср соответствует повороту верхней
модели по часовой стрелке.
Влияние изменений числа Рейнольдса Re в опытах было
несущественным поскольку значения чисел Re находились в закритической
области.
14А. Аэродинамика автотракторной техники
(подвижные объекты)
Динамические нагрузки на автотракторную технику от действия
ударной волны определяются по формулам (14.5)...(14.10). Для их
использования необходима информация по аэродинамическим ко-
297

эффициентам машин. Эти данные определяют продувками моделей
в аэродинамических трубах измерением составляющих главного
вектора сил взаимодействия, а также давлений на поверхностях
конструкций.
Приводятся результаты измерения коэффициентов Cw, СА, См
на моделях строительно—дорояшых машин в дозвуковой
аэродинамической трубе Т1 ЛГУ при скорости потока до 40 м/с и
моделировании земной поверхности деревянным экраном.
При скоростях потока в диапазоне 10...40 м/с и размерах
моделей, выполненных в масштабе 1:10, числа Рейнольдса находятся в
интервале Re = 0,7106...2,7106. Экспериментально установлено,
что для плохообтекаемых объектов, каковыми являются модели и
реальные объекты прямоугольного очертания, а также
автотракторная техника, критическое значение числа Рейнольдса Re* « 1,4-106.
В натурных условиях это примерно соответствует давлению за
фронтом ударной волны ДРф=0,0Ы05 Па. Более высоким давле-
1шям за фронтом будут соответствовать большие числа Re > Re*,
т.е. практический диапазон давлений в ударной волне находится в
закритической, т.е. — автомодельной области и соблюдение условий
моделирования по числу Рейнольдса оказывается не обязательным.
Итак на дозовых аэродинамических трубах при скоростях потока
порядка 40 м/с представляется возможным получать
аэродинамические характеристики машин как асимптотические приближения при
М—>0, Re—>оо, соответствующие идеальной несжимаемой среде. В
дальнейшем принято, что реальные значения Re находятся в
автомодельной области, что позволяет исключить число Рейнольдса из
числа критериев подобия.
Аэродинамика машин изучалась на их моделях из дерева в
масштабе 1:10. Модели соответствовали геометрии натурных объектов
без малосущественных деталей, небольших по величине в сравнении
с характерным размером Z. Учитывая, что для оценки устойчивости
объекта при действии ударных волн иногда достаточно
рассматривать его наименее благоприятную ориентацию — бортом к потоку,
основное внимание в опытах уделено этим условиям.
Модель располагалась над плоским тонким экраном 1,8 х 2,0 м,
закрепленным в рабочей части трубы, параллельно потоку, и
имитирующим земную поверхность. Закрепление модели осуществлялось
на проволочных подвесках многокомпонентных аэродинамических
весов типа Прандтля, с помощью которых измерялись
аэродинамические силы и моменты. От опыта к опыту изменением положения
298

модели варьировались величины cpf, г/0, причем с учетом масштаба
модели I = 10/1 принималось у0 = 1у. Аэродинамические
коэффициенты определялись по формулам
С»(ф*.Уо) = wi (<РиУо)/(чоРо)' слп(ч>пУо) = h {ч>^Уо)/{яоро1о)^
где q0 = 1 p0v0 — скоростной напор в эксперименте; у0 — высота
центра массы над экраном; Z0, F0 — характерные размер и
площадь модели.
При использовании полученных в опытах значений
коэффициентов в формулах для нагрузок поправка на число Маха может быть
уточнена в виде сомножителя к аэродинамическим коэффициентам,
равного 1 + j Мф.
Деформации подвески в моделях не воспроизводились (жесткие
модели), т.е. при угловых смещениях до полной потери контакта
моделей с экраном величина у0 зависит от ср^, поэтому у0
заменяли величиной i/o подъема нижней точки модели. Чтобы определить
уточненные значения аэродинамических коэффициентов с учетом
деформаций подвески i/. (jf = 1,2) , необходимо ввести в качестве
дополнительных аргументов величины yj, что значительно
усложняет эксперимент. Контрольные опыты показали, что деформации
yj несущественно влияют на коэффициенты Q, См, являющиеся
интегральными аэродинамическими характеристиками объекта
(деформации подвески при фиксированных параметрах (р$, у
меняют величины Cj, CMi в пределах 4...7 %).
Для удобства фиксации положения модели в потоке вводятся две
прямоугольные системы координат — с осями неизменного
направления (XYZ) и с осями, жестко связанными с объектом (x,y,z),
причем в исходном положении эти системы являются
совмещенными. Положение объекта определяется смещением системы xyz
относительно XYZ.
При ориентации объекта боком к потоку необходимо учитывать
боковую, подъемную силы и момент крена. Поэтому в основных
опытах менялись угол крена (р и (взамен у0) расстояние у$ до
экрана, рис. 14.96. Для одного объекта продувки проведены по углу
ориентации р, представляющему угол между продольной осью
объекта и направлением потока, рис.14.9в.
299

На рис. 14.20 и в табл. 14.2
приведены аэродинамические
коэффициенты боковой силы (Cw),
подъемной силы (СА) и момента
крена (См) для автомобиля
Урал—375 при боковой
ориентации к потоку. Коэффициент См
отнесен к оси, расположенной на
высоте 1,42 м от земной
поверхности. Характерные размеры
натуры ,Р=/2=25 м2, боковой мидель
jF6=17,3 m2, радиус
опрокидывания через борт Zp=l,86 м, угол
между радиусом опрокидывания и
горизонтом а = 0,87 рад (высота
центра массы Н = Zp sin a ).
Аэродинамические коэффициенты, полученные в аналогичных
условиях для автокрана 8Т—210 представлены на рис.14.21
(F=/2=25 м2; jF6=15,5 m2; Zp=l,74 м; а = 0,89 рад), коэффициент
См в данном и остальных случаях отнесен к центральной оси
инерции объекта.
Зависимость
аэродинамических коэффициентов
от угла ф и высоты
подъема нижних точек объекта
Рис.14.20. Аэродинамические
коэффициенты автомобиля
Урал-375 в зависимости от угла
чт к
над грунтом у0 получена
для ориентированного
боком к потоку бульдозера
на гусеничном тягаче,
рис.14,22. Величина у$
соответствует борту,
расположенному ближе к
земной поверхности
^5=15,2
а = 0,68
i,0
0,6\
0,2\
(/7=12=21,4 м*
м2; Zp=2 м;
рад).
На рис. 14.23
приведены аэродинамические
коэффициенты в зависимо-
■О,*
\
/Л
'1
V
\/
л
X
\ .
-40
-20
Са Ь-
20
Ф"
Рис.14.21. Аэродинамические
коэффициенты автокрана 8Т—210 в зависимости от
угла ф при у0 = 0
300

ста от угла ориентации автомобиля-самосвала БелАЗ—549.
Коэффициенты отнесены к характерным размерам I = 8,8 м (длина
кузова) и F = 44 м2 (его площадь в плане). Коэффициенты моментов
определены относительно осей x'y'z' (рис.14.9в), проходящих
через точку в срединной продольной плоскости машины на высоте
2,25 м от земли и 4,5 м от переднего амортизатора. На рисунках
даны аэродинамические коэффициенты Сх, Съ сил вдоль Wx,
поперек Wz потока и коэффициента СМу момента Ly вокруг
вертикальной оси у.
Таблица 14.2. Аэродинамические коэффициенты автомобиля
Урал-375
ф° П
-20
-15
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
15
I 20
см
(UJ241
0,0224
0,0181
0,0153
0,0128
0,0108
0,0090
0,0077
0,0049
0,0035
0,0016
0,0011
0,0012
0,0050
0,0107
^W
0,502
0,480
0,461
0,448
0,453
0,436
0,442
0,555
0,564
0,591
0,591
0,597
0,606
0,651
0,688
Са П
0Д50
0,164
0,190
0,189
0,199
0,211
0,232
0,080
0,119
0,098
0,115
1 0,121
0,154
0,217
| 0,196 |
Формулы для перехода к силам вдоль осей связанной системы
координат в зависимости от угла ориентации р имеют вид
Wz, = Wzcosp + WxsmP, Wx, = Wxcosp-Wzsinp.
Измерены также подъемная сила А, момент крена Lx, и момент
тангажа Lz,, причем положительными считаются моменты с
тенденцией увеличить соответствующие углы.
Сводка коэффициентов Сх, подъемной силы Су, моментов крена
Сщх* и тангажа Сш, при четырех положениях объекта и четырех
значениях угла р даны в табл. 14.3.
Оценка зависимости динамических давлений Pq = CpPCK на
поверхностях элементов гусеничных машин закрытого типа от скоро-
301

f;s
1,2
fed
-30 40
Фот
\2CA
у
ffl
^
ff\
•\
\f
и
к,
у&
A
f
'10 10
10 ф°
Рис. 14.22. Аэродинамические
коэффициенты бульдозера на гусеничном тягаче в
зависимости от угла крена ф и высоты подъема
*
I/O движителей над грунтом:
1) y*Q < 2,5 см; 2) 5 см; 3) 10 см
опыта к опыту менялся угол крена
На рис. 14.24 дана
сводка коэффициентов
давления Ср,
подсчитанных по формуле
За- —
стного напора проведена
продувкой в дозвуковой
аэродинамической трубе
их дренированных
моделей известными
методами экспериментальной
аэродинамики.
Величина
Pq = Р - Р0 (разность
между абсолютным Р и
атмосферным Р0
давлениями) измерялась
батарейным
микроманометром в точках выхода
дренажных каналов на
поверхность моделей.
Модели устанавливались
у экрана (у0=0) бортом
к потоку, причем от
Cp=2Pq/(Pov20).
штрихованные зоны на
рисунках соответствуют
положению
экспериментальных точек (для
крыши штриховыми линиями
ограничена зона 80%
экспериментальных точек).
Для практических
расчетов могут быть
рекомендованы средние
значения коэффициентов
давления, приведенные в
табл.14.4.
Рис. 14.23. Аэродинамические
коэффициенты автосамосвала БелАЗ—549 в
зависимости от угла ориентации Р: 1 — кузов
опущен, 2, 3 — промежуточные
положения, 4 — кузов до предела наклонен назад
(углы наклона кузова по днищу в
позициях 1—4 соответствуют 0; 29; 40 и 65°).
302

~0,1о од 1во 270 з^ Рис. 14.24. Обобщенные графики
Рис. 14.23. Продолжение коэффициентов давления на
различные элементы гусеничных машин
При необходимости приближенные значения интегральных
аэродинамических нагрузок на сложные конструкции с плоскими
гранями можно подсчитать, пользуясь экспериментальными данными,
полученными при продувках параллелепипеда и суммируя
элементарные нагрузки, возникающие на отдельных гранях внешней
поверхности элемента. Нагрузку от скоростного напора на плоскую грань
находим с использованием экспериментально определенных
коэффициентов давления (Ср) для грани. Таким образом давление на
плоскую грань площадью F определяется по формуле
Р = PCKFCp(y), где Ср{у) — коэффициент давления, зависящий
от угла \|/ между направлением распространения ударной волны и
внутренней нормалью к грани.
Угол \|/ между внутренней нормалью к элементу и осью ох
выражается через угол поворота ср по формулам: для фронтальных
элементов \|/ = ср (ф > 0), \|/ = 2гс + ср (ср < 0); для верхних гори-
303

зонтальных элементов (крыша) \|/ = ^% + ф; для тыльных
элементов \|/ = л; ч- (р; для элементов днища \|/ = | л; + ср.
Таблица 14.3. Аэродинамические характеристики
автосамосвала БелАЗ—549
1 р
Положение
1
2
3
4
Р
Положение
1
2
3
1 4
0°
с*
0,445
0,773
0,886
1,104
СУ
0,187
0,104
0,032
-0,065
Cmz'
0,021
0,212
0,271
0,316
180°
сх
0,346
0,710
0,811
0,927
СУ
0,066
-0,397
-0,442
-0,365
Cmz'
0,098
-0,070
-0,083
0,060
90° I
Сх
0,781
0,772
0,754
0,740
СУ
0,270
0,254
0,206
0,161
ст ~ смх'
0,0444
0,0672
0,0705
0,0745
270° |
сх
0,786
0,742
0,738
0,764
СУ
0,237
0,213
0,173
0,121
CMZ - СМХ'
0,0414
0,0506
0,0567
0,0683
Таблица 14.4. Осредненные значения коэффициентов
давления для гусеничных машин закрытого типа
ф°
■о
10
30
45
Коэффициенты Сп для элементов |
фронтального
1,0
0,9
0,8
0,5
тыльного
-0,5
-0,5
-од
-од
верхнего
горизонтального
-0,45
-0,45
нижнего гори- 1
зонтального
-1
0
+0,3
+0,5 |
На рис.14.25 приведена зависимость Ср(\|/), построенная по
обобщенным данным большого числа экспериментов с различной
ориентацией плоских граней относительно набегающего потока. Как
и следовало ожидать, эти кривые хорошо сопряжены друг с другом.
Эта зависимость соответствует плоскому элементу, произвольно
ориентированному в пространстве.
304

Ср
-да
N
\\
\
\
,
1
1
/
/
1
1 1 lu-HVi
7Л
v \у°
ар
ЦП
•QU
1
\
\
\
** «А от м ai ш
1 1 V-t-Nj
/
/
/
790 А.
1_
п
» \|/°
Рис.14.25.
Обобщенные графики
коэффициента давления для
параллелепипеда в зависимости
от угла \|/: а) вблизи
грунта, б) вдали от грунта
При отсутствии экранируюпцгх
поверхностей кривая Ср(\\г) должна быть
симметричной относительно вертикали
\|/ = 7г. Наблюдающаяся на рис. 14.25а
несимметричность вызвана влиянием
имевшегося при продувках экрана,
имитирующего земную поверхность, который
влиял на аэродинамические свойства
различных элементов.
При расчете конструкции,
расположенной достаточно высоко над
поверхностью земли, ее влияние учитывать не
следует, т.е. кривую Ср(\|/) при у > п
можно принимать симметричной
относительно вертикали \|/ = п кривой Ср(у)
при \|/ < 7Г (рис.14.256).

Глава 15. Сводка программ для ЭВМ
по расчету сооружений на аварийные нагрузки
Задачи по оценке прочности и оптимизации параметров конструкций
при действии ударных, взрывных нагрузок, сейсмических возмущений и их
комбинаций могут решаться на ЭВМ (ПЭВМ).
Ниже приведены краткие сведения о программах, рекомендуемых для
оценки возможных последствий динамических воздействий в различных
аварийных ситуациях. Подробные данные о программах для ЭВМ
(ПЭВМ) содержатся во второй книге настоящего издания.
EFIR. Котляревский В.А., Майорова Е.Г.
Программа, реализующая задачу о точечном взрьвзе при трех видах
симметрии.
GAZ. Костин А. А.
Программный комплекс для расчета нагрузок на наземные конструкции
произвольной формы от воздействия воздушных ударных волн взрывов
численными методами газовой динамики в двумерной постановке.
NENIL. Котляревский В.А.
Расчет распределенных и суммарных динамических нагрузок на
наземные трубопроводы и сооружения кругового очертания (арки, кольца) от
действия воздушных ударных волн аварийных взрывов с учетом
дифракционного взаимодействия волны с объектом.
FILTR. Котляревский В.А., Майорова Е.Г.
Программа моделирования взаимодействий воздушной ударной волны
со слоем грунта как деформируемой пористой средой над сооружением.
Анализируются связанные процессы нелинейной фильтрации газа из
области отраженной волны через открытые поровые каналы слоя в объем
сооружения, деформации упруговязкого скелета пористого слоя и
перераспределения напряжений в его скелете, вызванные силами вязкого трения
фильтрующего газа, с учетом сил инерции сред. Волновая нагрузка на
границе воздушной области решения вырабатывается программой
FILTRH.
GAMMA. Котляревский В. А.
Генератор ансамблей синтетических акселерограмм (реализаций) для
расчета на сейсмику зданий, сооружений и резервуаров методом
статистического моделирования (Монте-Карло). На вход подается единственная
акселерограмма прошлого землетрясения.
Программа моделирует нестационарные случайные процессы на основе
анализа сейсмической информации в условиях ее ограниченности.
Генерирование реализаций ведется с использованием методов канонических раз-
306

ложений, быстрого преобразования Фурье и отлайн-интерполяции без
ограничений на вид аппроксимируемых функций.
GAMMAS. Котляревский В. А.
Генератор ансамблей синтетических акселерограмм при подаче на вход
дискретного амплитудного частотного спектра стационарной части
процесса, массива квазиогибающей и частоты среза.
Программы GAMMA и GAMMAS работают при вводе любой
сейсмической информации для конкретного региона, а также при чтении
акселерограмм из банка данных по сейсмике Института Физики Земли АН РФ.
Балансировка акселерограмм и велосиграмм, нормированных на заданную
сейсмичность по СНиП, получение интегралов и производных
сбалансированных функций с использованием сплайн-аппроксимации вьшолняется
программой NORMAS.
FRAGO. Котляревский В.А., Ермолина А.Н.
Комплексная оценка поражающего действия на людей и различные
объекты аварийных наземных взрывов конденсированных В В и объемных
взрывов облаков газовоздушных смесей. Определяются поля осколков,
давлений и импульсов в детонационной и воздушной ударных волнах, а
также дозы теплового излучения.
RZMG. Виноградов А.В., Еремин СВ., Румянцева Р.А.
Программа оценки параметров подвижных и стационарных объектов,
характеризующих их защитные свойства от рентгеновского и гамма-
излучения. Алгоритм программы основан на методе статистического
моделирования процесса переноса излучений в материале зашиты. Объект
представляется набором простых геометрических объемных форм, а
характеристики гамма-квантов - их энергетическо-угловым распределением. В
расчете определяются кратности ослабления мощности дозы, плотности
потока гамма-квантов и спектральный состав излучений внутри объектов.
TERM, Котляревский В.А,
Расчет конструкций с произвольной структурой преград на прогрев и
теплопередачу во внутренний объем помещений от воздействий пожаров и
теплового удара от взрывов.
INERCIA. Котляревский В. А., Майорова Е.Г.
Программа для анализа динамической устойчивости к сдвигу и
опрокидыванию объектов, свободно расположенных на грунте, при ударно-
волновых нагрузках. Объект схематизирован твердым телом с
односторонними связями и переменным числом степеней свободы (до трех).
Учитываются дифракционное и квазистационарное взаимодействия ударной
волны с объектом.
DEMP. Котляревский В Л.
Программа для расчета на динамические нагрузки и сейсмику стальных
каркасов подвесных энергетических и других систем. Каркас может
работать упруго и за пределом упругости (переменная текучесть), причем
предельный момент в пластическом шарнире зависит от продольной силы,
вызванной весом конструкции.
307

FRAGM. Котляревский В. А.
Оценка поражающего осколочного действия на различные конструкции
(мишени) и людей при взрывах сосудов, газгольдеров и резервуаров под
давлением, конденсированных ВВ в оболочках или контейнерах, в том
числе осколочных боеприпасов (фрагментированных и с гладкой
оболочкой), газовоздушных или паровоздушных: смесей в замкнутых объемах, а
также при ударах пуль стрелкового оружия.
GVS. Котляревский Б. А.
Расчет воздейтвия и оценка степени риска поражения людей,
различных объектов и конструктивных элементов сооружений при взрывах в
атмосфере облаков газо-паровоздушных смесей (ГПВС) вследствие
аварийных выбросов горючего из емкостей, трубопроводов по детонационному
сценарию и при быстром сгорании облака с образованием огненного шара.
PROP AN. Котляревский J3.A.
Оценка параметров аварийного дефлаграционного взрыва ГПВС внутри
производственных помещений и в подвалах зданий.
SHOCK. Котляревский В.А., Райнин И.М.
Программный комплекс для упругого расчета металлоконструкций
каркасов промьшшенных зданий и сооружений на действие взрывных,
сейсмических и вибрационных нагрузок. Объект схематизируется плоской
стержневой системой с большим числом узлов на пересечении стержней.
Инерция системы сосредоточена в узлах. Стержни удлиняются, а также
деформируются по статической форме изгиба от линейных и угловых
перемещений своих концов (узловых масс). Соотношения между
внутренними усилиями в стержнях и деформациями приняты по методу
перемещений строительной механики. Линейные и угловые смещения узлов
определяются решением дифференциальных уравнений движения узлов с учетом
инерции вращения методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Структура
стержневой системы произвольная. Статические начальные усилия от
собственного веса вычисляются решением нелинейной системы уравнений
движения (с обнуленными ускорениями) методом итераций.
DYNAMIC. Котляревский В.А.
Комплекс для динамического расчета широкой номенклатуры
конструкций из различных материалов и их композиций (сталь, бетон,
полимеры, грунтовые среды) с учетом развития неупругих деформаций и
локальных разрушений на действие ударно-волновых и сейсмовзрывных
нагрузок. Сооружение и окруякающая грунтовая среда (основание)
аппроксимируются по плоской стержневой деформированной схеме. Напряженно-
деформированное состояние стержней с изгибной жесткостью определяется
на основе технической теории изгиба и гипотезы о волокнистом (слоистом)
строении стержней. Для каждого слоя допустимы модели: упругая, упруго-
вязкая, упругопластические (с упрочнением и обратной текучестью, с
динамическим пределом текучести и зависимостью напряжения от скорости
пластической деформации, мейзинг-типа, упруго-хрупкие с раскрытием и
смыканием трещин). Осуществляется контроль и отключение стержней
308

вследствие потери устойчивости, разрыва, хрупкого разрушения или мало-
цикловой усталости. Волновые дифракционные нагрузки вырабатьшаются
подпрограммами, в которых учитывается взаимодействие ударной волны с
надземными объектами различной формы. Сейсмические возмущения и
вибрации вводятся таблично или считываются с МД из банка данных,
созданного программами GAMMA и GAMMAS.
Возможен расчет каркасов жилых и промышленных зданий, наземных
сооружений криволинейного очертания (без ограничения формы),
стационарных платформ морского шельфа с учетом начальных напряжений от
собственного веса и водоизмещения, волнового сопротивления водной
среды. Процессы формирования некоторых расчетных сеток, выработки
дифракционных, аэродинамических и гидродинамических нагрузок
автоматизированы. Возможно прерывание счета с последующим продолжением и
изменением части данных, что позволяет вести расчет на повторные
динамические воздействия с учетом остаточных внутренних деформаций и
напряжений от прошлых нагрузок.
KONTUR. Котлярёвский ВЛ.
Комплекс, сформированный на основе модулей программного
комплекса DYNAMIC. Предназначен для расчета на ударно-волновые нагрузки
криволинейных конструкций как упругих и упругопластических систем с
конечным числом степеней свободы. Расчету подлежат разнообразные
конструктивные элементы (балки, рамы кольца, арки), а также плоские
конструкции произвольной формы, которые могут представлять замкнутый
контур. Если часть контура исключена, то конструкция становится
незамкнутой. Конструкция может иметь ряд опорных точек и сечений с
нулевой изгибной жесткостью (шарниров). Криволинейный контур
аппроксимирован многоугольником с узлами в углах, где сосредоточена инерция
системы. Прямолинейные элементы безинерционны и определяют
реологию конструкции, в общем случае переменную вдоль контура.
Динамический расчет, как и в программе DYNAMIC, сводится к численному
решению уравнений движения узлов (без учета инерции вращения) методом
Рунге-Кутта второго порядка и к вычислению усилий в стержнях через
перемещения узлов. Внутренние усилия в стержнях при работе за
пределом упругости определяются по условию пластичности, ограничивающему
область в плоскости изгибающий момент — продольная сила допустимых
(упругих) состояний для различных профилей поперечных сечений.
Нагрузки и воздействия вводятся так же как в программе DYNAMIC.
EFFECT. Котлярёвский ВЛ., Костин АЛ.
Комплекс для расчета однородных и композитных конструкций
сложной формы, взаимодействующих со сплошной неоднородной средой.
Конструкция моделируется замкнутым непроницаемым контуром произвольной
формы. Внутри контура допустимо наличие подкрепляющей стержневой
системы, а также размещение различных закрепленных и свободных
объектов. Возможен синхронный расчет системы сооружений указанного типа.
309

Нагрузки на конструкцию вырабатываются в процессе ее
взаимодействия с волновым полем в массиве окружающей среды, возбуждаемым
комбинированным действием динамических давлений и сейсмических
возмущений на границах области решения, а также внутренних (взрывных)
источников энергии. Моделирование волновых процессов в среде и в
конструкции основано на уравнениях динамики сплошных сред в переменных
Лагранжа, аппроксимированных явным условно-устойчивым конечно-
разностным методом типа "крест" (сквозной счет с искусственной
тензорной вязкостью) на расчетной сетке с четырехугольной ячейкой
произвольной формы. Для конструкционных материалов и сред допустимо
использование различных физически-нелинейных моделей, в том числе,
учитывающих скоростные эффекты. Предусмотрена возможность расчета
конструкций из металла, железобетона, полимеров, заглубленных в грунт
(котлованных, подземных) и в жидкую среду (подводных) с учетом
ограничений, связанных с искажениями лагранжевой сетки.
Начальные напряжения в среде и конструкции определяются методом
конечных элементов. Конструкция или совокупность конструкций
моделируется как система с распределенными параметрами, впаянная в
деформируемую (грунтовую) среду. Упругопластические конструкции
анализируются на основе зависимости предельного пластического момента от
предельной продольной силы. Комплекс реализован в двух вариантах по
двумерной схеме - плоской деформации и с осевой симметрией. Результаты
счета выдаются для различных моментов времени (параметры движения,
напряженно-деформированного состояния среды и конодукции в виде
изолиний, эпюр, векторных полей и осей главных напряжений).
Возможно прерывание счета с последующим продолжением при изменении части
входной информации.
LAYER, Костин АЛ., Котляревский В. А.
Комплекс, реализующий соотношения динамики сплошной среды с
различными нелинейными моделями (аналогично комплексу EFFECT) для
одномерной схемы с тремя видами симметрии (плоской, цилиндрической и
сферической). На границах области решения предусмотрены нагрузки
взрывного и сейсмического типов.
RISK. Котляревский В,А,, Костин А.А.
Прогнозирование результатов действия воздушной ударной волны
аварийных взрывов на промышленные, гражданские объекты и
железнодорожный транспорт с взрывоопасными грузами с учетом эффекта
"домино".
KOGKOMP. Кожевников Я.М.
Комплекс программ для динамического расчета и оптимизации
заглубленных в грунт конструкций от действия взрывных нагрузок.
Рассчитываются балки, рамы, кольца и арки из металла, железобетона, древесины и
тканекаркасной конструкции.
310

Сооружение схематизируется в виде кинематической цепи из абсолютно
жестких безмассовых прямых стержней, в точках соединения которых (в
узлах) располагаются массы (инерция системы). Эта цепь может
деформироваться только за счет изменения углов между стержнями, выражая
изменения кривизны конструкции.
Продольные силы в стержнях определяются из условий неизменности
расстояний между узлами.
Учитывается взаимодействие волны сжатия в грунте с сооружением при
волновом и винклеровском сопротивлении смещениям. Интегрирование
системы обыкновенных дифференциальных уравнений выполняется
методом Рунге-Кутта четвертого порядка.
F, W, W2. Еотляревский В.А., Майорова Е.Г., Румянцева Р.А.
Комплекс программ для расчетов сооружений, взаимодействующих с
грунтовыми средами, основанных на численном решении одномерных
уравнений динамики ашошных сред в переменных Лагранжа методом
полудискретного аналога. Сооружение расположено на поверхности грунта
или впаяно в грунтовую среду. Ударно-волновая нагрузка на поверхности
грунта и сейсмическая — на нижней границе области решения задаются
аналитически или вводятся таблично. Реологические модели сред
перекрывают широкий диапазон состояний мягких, мерзлых грунтов и горных
пород.
В программе F для упруговязкой среды использована модель
обобщенного тела Фойгта с дискретным спектром запаздывания. Допускается учет
пластического поведения включением нелинейности в виде
деформированного спектра разуплотнения, отличного от исходного спектра уплотнения.
Программа W моделирует упруговязкопластическую среду типа
Денисова. Воспроизводит динамику слоистых и градиентных геологических
разрезов с учетом эффектов трещинообразования вследствие чрезмерных рас-
тяшвающих напряжений. Программа дает оценку эффектов
взаимодействия сейсмовзрьшных волн с сооружением, включая возможность отрыва
фундамента от основания при толчках вертикального направления.
Программа W2 основана на упругопластической модели с
фиксированной диаграммой холодного сжатия и законом разуплотнения, зависящим
от досяш-нутого при сжатии давления. Может быть использована при
планировании ударных испытаний образцов материалов на копровых и других
установках.
BALKA. Еотляревский В. А., Шамарокова Л.А.
Комплекс, предназначенньш для расчета на динамические и
сейсмические нагрузки однопролетных балок с любой схемой опор методом Фурье.
Нагрузки произвольным образом распределены вдоль пролета и во
времени.
DELTA. Еотляревский В, А.
Программа динамического расчета однопролетных шарнирно-опертых
балок с учетом временных (скоростных) эффектов (динамический предел
311

текучести, связанный с запаздыванием динамической текучести,
зависимость динамических напряжений от скорости пластической деформации,
деформационное упрочнение, распространение вдоль пролета областей
пластичности и упрочнения). Программа позволяет выяснить резервы
прочности балок за счет их приспособляемости к динамической нагрузке.
LINEAR. Котляревский В.А., Ермолина А.Я.
Проектирование динамически нагруженных железобетонных упругопла-
стических балок заданного пролета с обеспечением минимума расхода
стали с учетом сортамента для арматуры классов A-I, А-Н, А-Ш.
Учитывается повышенное сопротивление материалов в зависимости от скорости
деформирования. Предельные состояния конструкции нормируются по
прочностным и деформативным показателям.
FERMA. Котляревский В. А.
Программа для упругопластического расчета однопролетных ферм
малого пролета, когда пластические деформации сконцентрированы в
центральных панелях. Учитьгоаются скоростные эффекты, аналогично
программе DELTA.
REDIN. Котляревский В.А., Майорова Е.Г., Ермолина А.Н.
Программа расчета конструкций, допускающих схематизацию
осциллятором, на действие комбинации ударно-волновых и сейсмических нагрузок
со сдвигом по фазе. Реология связи - упругопластичность и линейное
упрочнение с учетом динамических переходных напряжений, зависящих от
режима напряжения. На печать выдаются функции параметров движения
и реакций, а также таблицы ударных спектров (коэффициентов
динамичности) перемещений и реакций в результате варьирования безразмерными
исходными данными.
REZER. Котляревский В. А.
Комплексный статический и динамический (антисейсмический)
прочностной расчет вертикальных цилиндрических резервуаров при различных
схемах опирания оболочки (защемление, упругое основание),
Определяются статические и шдростатические нагрузки и внутренние
усилия и напряжения, а затем - динамические от сейсмики
горизонтального направления. Компоненты напряжений во всех поясах и в уторном узле
от статики и динамики суммируются, и определяется экстремум целевой
функции - эквивалентное напряжение в металле поясов и днища.
Производится проверка прочности, и при необходимости даются рекомендации
по усилению конструкции.
Программа позволяет вести расчет резервуаров со стационарной
крышей, понтоном и внутренней колонной (при их наличии) с учетом
теплоизоляции и снеговой нагрузки.
Для расчета изотермических резервуаров программа используется в
рекуррентном режиме.
WERTIK. Котляревский В.А.
Программа производит динамический прочностной расчет вертикальных
цилиндрических резервуаров на сейсмические воздействия вертикального
312

направления с учетом начальных напряжений от статических нагрузок и
гидростатического давления жидкого продукта. Учитываются возможное
наличие покрытия или плавающей крыши, понтона, теплоизоляции и
снега, различные схемы опирания оболочки.
Определяются: контурное давление на днище, осевые и радиальные
давления на пояса оболочки; полная система внутренних усилий в поясах;
краевые усилия в угорном узле; экстремумы внутренних усилий с их
координатами; полная система напряжений, в том числе - компоненты
напряжений в угорном узле и экстремум целевой функции - эквивалентного
напряжения в угорном узле. Вьвдаются сообщения о результатах проверки
прочности конструкции и рекомендации по усилению в случае
недостаточной прочности.
DNIS. Котляревский В. А.
Оптимизация эстакадной балочной опорной системы цилиндрических
резервуаров для хранения нефтепродуктов объемом от 1 до 50 тысяч
кубических метров. Опорная система обеспечивает доступ персонала
контролировать состояние наружных поверхностей уторного узла и днища
(настила).
Балочная система состоит из радиальных и круговых прогонов,
пересечения которых оперты на колонны бетонного фундамента. В зонах,
ограниченных пролетами прогонов, расположены балки поперечной и
продольной ориентации, минимальное расстояние между которыми обеспечивает
доступ персонала.
Комплексным прочностным расчетом опорной системы программа
подбирает оптимальный сортамент проката прогонов, балок двух ориентации
и настила по условию минимума массы конструкции.
GRUNT. Котляревский ВЛ.
Статический прочностной расчет горизонтальных цилиндрических
резервуаров, заглубленных в грунт.
OTLP. Котляревский В Л.
Комплексный статический прочностной расчет вертикальных
цилиндрических резервуаров на упругом основании или с жесткой заделкой
оболочки
STUZER. Котляревский ВЛ.
Подбор конструктивных параметров укрепления отверстий в обечайках
(оболочках) цилиндрических и сферических резервуаров, сосудов и
аппаратов, работающих под внутренним давлением, применяемых в
химической и нефтеперерабатывающей промьппленности.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. М., Оборонгиз, 1960.
Баум Ф.А., Орленко Л.П., Станюкович К.П. и др. Физика взрыва. М., Наука,
1975.
Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М.,
Химия, 1991.
Бирбраер А.Н., Шульман С.Г. Прочность и надежность конструкций АЭС при
особых динамических воздействиях. М., Энергоатомиздат, 1989.
Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М., Огройиз-
дат, 1965.
Болт Б.А., Хорн У.Л., Макдональд Г.А., Скотт Р.Ф. Геологические стихии.
М., Мир, 1978.
Вейц Р. И. Предупреждение аварий при строительстве зданий .Л., Огройиздат,
1985.
Взрывные явления. Оценка и последствия. М., Мир, 1986.
Вибрации в механике, т. 1. / Под ред. В.В. Болотина. М., Машиностроение,
1979.
Водяник В.И., Малахов Н.Н., Полтавский О.Т., Шелюк И.П.
Предохранительные мембраны. М., Химия,1982.
Водяник В.И., Тараканов СВ. Возникновение волны давления при
самовоспламенении газа перед фронтом пламени в замкнутом сосуде. ФГВ, 1985, №1,
С.49...53.
Гельфанд Б.Е., Губин С.А., Михалкин В.Н., Шаргатов В.А. Расчет
параметров ударных волн при детонации горючих газообразных смесей переменного
состава. ФГВ, 1985, №3, С.92...97.
Григорян С.С. О действии ударных волн на твердое тело. ПМТФ, 1963, №3,
С.37...49.
Действие ядерного оружия. М., Воениздат, 1963.
Дюнин А.К. Механика метелей (вопросы теории проектирования снегорегули-
рующих средств). Новосибирск, Изд-во Сиб. отд. АН СССР, 1963.
Емельянов Е.П. Основные закономерности оползневых процессов. М., Недра,
1972.
Защита объектов народного хозяйства от оружия массового поражения. / Под
ред. Г.П. Демиденко. Киев, Вища школа, 1987.
Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М.
Математическая теория горения и взрыва. М., Наука, 1980.
Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных
гидродинамических явлений. М., Науки, 1966.
Информация об аварии на Чернобыльской АЭС и ее последствиях,
подготовленная для МАГАТЭ. Атомная энергия, 1986, т. 61, вып. 5, C.301...320.
Когарко СМ., Адушкин В.В., Лямин А.Г. Исследование сферической
детонации газовых смесей. ФГВ, 1965, №2, с.22.,.34.
Козик СМ. Расчеты движения снежных лавин. Л., Гидрометеоиздат, 1962.
Коробейников В.П. Задачи теории точечного взрыва в газах. М., Наука, 1973.
Корольченко А.Я. Пожаро-взрывоопасность промышленной пыли. М., Химия,
1986.
314

Котляревский В.А. Анализ импульсивно нагруженных балок с учетом
запаздывания динамической текучести. Огроительная механика и расчет сооружений,
1980, N 2, С.59...62.
Котляревский В.А. Влияние скоростных эффектов на поведение импульсивно
нагруженных конструкций. Бетон и железобетон, 1978, N 10, с. 31...34.
Котляревский В.А. Волны деформации в упругопластическом стержне при
продольном ударе. Проблемы прочности, 1981, N 1, с. 12... 18.
Котляревский В.А. Динамический расчет балки за пределом упругости с
учетом эффектов скоростного деформирования. Огроительная механика и расчет
сооружений, 1979, N 6, с. 48...55.
Котляревский В.А. Метание воздушной ударной волной незакрепленного
твердого тела вблизи плоской преграды. Журнал ПМТФ, 1984, №2, с. 119... 128.
Котляревский В.А. Пакет программ для динамического расчета
металлоконструкций. Строительство и архитектура, сер. 3. Проектирование металлических
конструкций: Научно-техн. реф.сб., М., 1981, вып. 4, с. 3...7.
Котляревский В.А. Статистическое моделирование динамики подвесных
энергетических систем при сейсмических нагрузках. Вопросы атомной науки и
техники. Серия: Физика и техника ядерных реакторов. М., НИКИЭТ, 1984, вып. 38,
C.51...60.
Котляревский В.А. Статистическое моделирование сейсмических воздействий
на сооружения. Огроительная механика и расчет сооружений, 1988, №3,
C.44...48.
Котляревский В.А. Удар по пластинке, находящейся на поверхности жидкости.
Изв. АН СССР, МЖГ, 1978, №3, С.143...145.
Котляревский В.А., Ганушкин В.И., Костин А.А., Костин А.И., Ларионов
В.И. Убежища гражданской обороны. Конструкции и расчет. М., Огройиздат,
1989.
Котляревский В.А., Гринев А.А. и др. Динамический анализ элементов
пассивной защиты водителя легкового автомобиля. N 1143ап-85Деп. Библ. ук. ВИНИТИ
"Деп.н.рЛ 1985, N 6(164) с. 100.
Котляревский В.А., Зинченко Ж.Ф., Олехвер А.И., Тимохин В.И.
Аэродинамические характеристики автомобилей. Автомобильная промышленность, 1980,
№7, C.17...20.
Котляревский В.А., Майорова Е.Г. Взаимодействие воздушной ударной волны
с пористой средой и фильтрация газа через грунтовый слой при взрывах. Изв. АН
СССР, МТТ, 1982, №3, С.143...155.
Котляревский В.А., Морозов В.И., Петров А.А. Расчет конструкций на
динамические воздействия. В кн. Металлические конструкции. Справочник
проектировщика, том 2. Издание 3-е. М., Стройиздат (в печати).
Котляревский В.А., Райнин И.М. Расчет стальных каркасов зданий и
сооружений на действие взрывных, ударных и сейсмических нагрузок. Огроительная
механика и расчет сооружений, 1990, №5, С.52...56.
Котляревский В.А., Румянцева Р.А. Деформация упругопластической системы
в грунте со свободной поверхностью, нагруженной импульсом давления. ФГВ,
1980, N 6, С.79...85.
Котляревский В.А., Румянцева Р.А., Чистов А.Г. Расчеты удара штампа по
грунтовому массиву с использованием различных моделей упругопластических сред
в условиях плоской деформации. Изв. АН СССР, МТТ, 1977, №5, С.132...146.
315

Котляревский В.А., Чистов А.Г. Численный анализ дифракции волн в упруго-
вязких средах при плоской деформации. Изв. АН СССР, МТТ, 1976, №3,
С.119...132.
Красносельский Э.Б. К вопросу определения степени лавинной опасности в
высокогорных районах Центрального Тянь-Шаня. Л., Труды ГГО, вып.150, 1960.
Курмаев A.M. Сейсмостойкие конструкции зданий. Справочник. Кишинев,
Картя Молдовянскэ, 1989.
Ляхов Г.М. Волны в грунтах и пористых многокомпонентных средах. М.,
Наука, 1982.
Ляхов Г.М., Полякова Н.И. Волны в плотных средах и нагрузки на
сооружения. М., Недра, 1967.
Мартемьянов А.И. Проектирование и строительство зданий и сооружений в
сейсмических районах. М., Огройиздат, 1985.
Маршал В. Основные опасности химических производств. М., Мир, 1989.
Мейер П.В., Котляревский В.А., Барабенов В.П., Мальков А.В. Тензовесы.
А.с. №2792, БИ №26, 1970.
Михно Е.П. Ликвидация последствий аварий и стихийных бедствий. М., Атом-
издат, 1979.
Нежиховский Р.А. Наводнения на реках и озерах. Л., Гидрометеоиздат, 1988.
Нетлетон М. Детонация в газах. М., Мир, 1989.
Орлов Г.Г. Легкосбрасываемые конструкции для взрывозащиты
промышленных зданий. М., 1987.
Основные результаты экспериментов на ударных трубах. М., Атомиздат, 1963.
Первая международная рабочая группа по тяжелым авариям и их
последствиям. М., Наука, 1990.
Петров А.А. Вероятностная оценка нормируемых параметров сейсмической
реакции сооружений. Строительная механика и расчет сооружений, 1990, №1, с.
72...78.
Покровский Г.И. Взрыв. М., Недра, 1973.
Последствия карпатского землетрясения 4 марта 1977 г. на территории СРР.
Обзорная информация, вып. 1. ЦИНИС, Строительство и архитектура, Серия
Промышленное строительство. М., 1979.
Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. М., Мир, 1979.
Руководство по снеголавинным работам. Л., Гидрометеоиздат, 1965.
Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М., Наука, 1982.
Сейсмическая сотрясаемость территории СССР / Под ред. Ю.В.Ризниченко.
М., Наука, 1979.
Сейсмическое районирование территории СССР. Методические основы и
региональное описание карты 1978. М., Наука, 1980.
Справочник по ядерной энёрготехнологии. М., Энергоатомиздат, 1989.
Справочник химика. М. - Л., Химия, 1968.
Средства защиты в машиностроении. Расчет и проектирование. Справочник.
М., Машиностроение, 1989. 365 с.
Таубкин СИ., Таубкин И.С. Пожаро- и взрывоопасность пылевидных
материалов и технологических процессов их переработки. М., Химия, 1976.
Чернобыль. Информ. бюллетень, вып. 1. М., Энергоатомиздат, 1991.
Шейдеггер А.Е. Физические аспекты природных катастроф. М., Недра, 1981.
Юхансон К., Персон П. Детонация взрывчатых веществ. М., Мир, 1973.
316

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 5
Глава 1. Землетрясения 7
1.1. Общие положения 7
1.2. Статистическое моделирование сейсмических
воздействий на здания и сооружения 13
1.3. Последствия сейсмического воздействия на здания
и сооружения ,.19
1.4. Воздействие на поверхность земли и некоторые
инженерные сооружения 25
1.5. Нарушение функций систем жизнеобеспечения 26
1.6. Зоны поражения вокруг обрушивающихся зданий.
Возможности населенных пунктов по ликвидации
последствий землетрясений 32
1.7. Землетрясение в Армении 7.12.1988 г 35
Глава 2. Обеспечение сейсмостойкости зданий
и сооружений е подвешенными массами 41
2.1. Программа DEMP 41
2.2. Балансировка акселерограмм 49
2.3. Примеры расчета сооружения 55
Глава 3. Ураганы, торнадо, грозы 59
3.1. Ураганы 59
3.2. Торнадо 61
3.3. Грозы 62
Глава 4. Наводнения 65
4.1. Описание наводнений и статистические данные 65
4.2. Влияние наводнений на обстановку в населенных
пунктах и повреждения, возникающие в результате
их воздействия , 71
4.3. Меры по уменьшению ущерба от наводнений
и катастрофических паводков 86
Глава 5. Селевые потоки 93
5.1. Описание селевых потоков 93
5.2. Оценка параметров селевых потоков
и их разрушительное действие 97
317

5.3. Характеристики и эффективность противоселевых
сооружений 111
5.4. Меры по предотвращению селей 114
Глава 6. Оползни 116
6.1. Возникновение и классификация оползней 116
6.2. Контроль над оползнями и их прогноз 120
6.3. Основные противооползневые мероприятия
и борьба с оползнями 123
Глава 7. Снежные лавины 127
7.1. Распространение, формирование
и основные характеристики снежных лавин 127
7.2. Прогнозирование лавин 129
7.3. Расчет основных параметров лавин 130
Глава 8. Аварии на предприятиях, хранилищах
и складах взрыво- и пожароопасных веществ 138
8.1. Наземные объекты 138
8.2. Склады в подземных выработках 145
Глава 9* Заторы и зажоры на реках 149
9.1. Основные характеристики 149
9.2. Прогнозирование заторов и зажоров. 152
9.3. Преодоление заторных участков 153
Глава 10. Пожары 157
10.1. Классификация пожаров 157
10.2. Пожары газовые, нефтяные, газонефтяные
и нефтепродуктов 159
10.3. Основы тушения пожаров 160
Глава 11. Аварии на АЭС и предприятиях ЯТЦ 168
11.1. Характеристики АЭС и предприятий ЯТЦ 168
11.2. Основные опасности ядерной энерготехнологии 172
11.3. Характеристики известных радиационных аварий 176
11.4. Авария на ЧАЭС 179
Глава 12. Аварии на предприятиях нефтегазовой
и химической промышленности 184
12.1. Аварии на предприятиях 184
318

12.2. Аварии емкостей под давлением и продуктопроводов 191
Глава 13. Взрывы конденсированных ВВ,
газовоздушных, парогазовых смесей
и аэрозолей 196
13.1. Взрывы конденсированных ВВ 196
13.2. Взрывы газопаровоздушных смесей
в открытом пространстве 210
13.2.1. Детонация ГПВС 213
13.2.2. Тепловое излучение огненного шара 221
13.2.3. Программа GVSF 227
13.3. Взрывное горение ГПВС в производственных
помещениях 228
13.3.1. Фронтальное (послойное) горение 228
13.3.2. Условия перехода к объемному горению
в помещениях , 232
13.3.3. Легкосбрасываемые конструкции
для снижения аварийных взрывных нагрузок
в промзданиях 234
13.3.4. Оценка давления взрыва по ГОСТ 12.1.004-85 236
13.4. Взрывы аэрозолей 237
13.5. Снижение ущерба от загораний и взрывов пыл ей
(на примере текстильных предприятий) 242
13.6. Опасности на предприятиях
пищевой промышленности 250
Глава 14. Нагрузки на конструкции при взрывах 254
14.1. Взаимодействие воздушной ударной волны
с наземными объектами 255
14.2. Основы физического моделирования взрывных
и инерционных нагрузок 263
14.3. Аэродинамика стационарных объектов
прямоугольного очертания 285
14.4. Аэродинамика автотракторной техники
(подвижные объекты) 297
Глава 15. Сводка программ для ЭВМ по расчету
сооружений на аварийные нагрузки 306
Использованная литература
320

ББК 38.8
УДК 699.85
Рецензенты: Дорофеев Ю.П. академик АВН, д-р военных наук,
профессор Военно-инженерной Академии им. В. В. Куйбышева,
Попов Г.И. д-р технических наук, профессор МАДИ, Московский
Государственный строительный Университет.
Печатается по решению Ассоциации строительных ВУЗов, Секции
военно-технических проблем Российской инженерной академии и
Отделения строительства Международной академии информатизации.
Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация
последствий. Учебное пособие в 3-х книгах. Книга 1. /Под ред.:
К.Е.Кочеткова, В.А.Котляревского и А.В.Забегаева/
В.А.Котляревский, К.Е.Кочетков, А.А.Носач, А.В.Забегаев и др.
— М., Издательство АСВ / 1995. — 320 стр. с ил.
ISBN 5-87829-030-8
В пособии впервые систематически изложены данные об аварийных
воздействиях природного и техногенного характера, а также об
инженерных мероприятиях по снижению ущерба от подобных воздействий,
организации аварийно-восстановительных работ в экстремальных условиях.
Рассмотрен опыт инженерного реагирования на чрезвычайные ситуации на
основе данных о недавних катастрофах в Чернобыле, Армении и т.п.
Изложены также вопросы предотвращения или снижения ущерба от
рассматриваемых воздействий расчетным путем на стадии проектирования.
Обобщен оригинальный и во многом уникальный материал. Для студентов
строительных ВУЗов. Может быть использована инженерно-техническим
персоналом и научными сотрудниками проектных и
научно-исследовательских организаций, а также в штабах гражданской обороны.
к ззоюооооо-рое безо6ьявл
009(03) - 95
ISBN 5-87829-030-8
ББК 38.8
© Коллектив авторов, 1995
© Издательство АСВ, 1995

Учебное издание
Котляревский Владимир Абрамович
Кочетков Константин Егорович
Носач Александр Александрович
Забегаев Александр Владимирович
Аварии и катастрофы.
Предупреждение и ликвидация последствий.
Книга 1.
Научный редактор В. А. Котляревский
Технический редактор С.Ю.Ревенко
Компьютерный набор С.Ю.Ревенко
Лицензия ЛР № 030504 от 09.03.93.
Сдано в набор 03.04.95, подписано к печати 01.07.95
Формат 60 X 90/16. Печать офсетная. Бумага тип. № 2.
Уч.-изд. л. 20. Заказ 1087. Ъиэаж 15 000 экз.
Издательство АСВ. 129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Отпечатано в Государственном ордена Октябрьской Революции, ордена
Трудового Красного Знамени Московском предприятии "Первая
Образцовая типография" Комитета Российской Федерации по печати.
113054, Москва, Валовая, 28.