ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 10. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ОБСТАНОВКИ ПРИ ЦУНАМИ

Характеристика цунами

Цунами (большая волна в гавани) это морские волны, которые возникают вследствие землетрясений, деятельности вулканов и мощных подводных взрывов. Возникнув в удалённой точке океана, такая волна распространяется с большой скоростью и обрушивает на побережье вал воды высотой до 70 м. Когда уходит первая волна, обычно приходит вторая волна, а иногда и последующие.

В океане волна практически не заметна, но при подходе к берегу движение массы воды затормаживается, волна становится круче и с огромной скоростью обрушивается на сушу.

Возникновение цунами, как правило, связано с землетрясениями, очаги которых расположены на глубине не более 40…60 км. Причём если землетрясения с магнитудой более 7,5 вызывают цунами всегда, при магнитуде от 5,8 до 6,2 - лишь в 14 % случаев.

Наиболее простая модель, объясняющая механизм генерации цунами, использует представление о быстром подъёме/опускании участка океанического дна под воздействием тектонических сил. В такой модели участок океанического дна рассматривается как поршень, вдвигаемый в несжимаемую жидкость - воду. При этом на поверхности воды появляется возвышение (горб), которое по окончании действия поршня растекается по поверхности под действием силы притяжения. Возникающая в этом случае волна называется поверхностной гравитационной волной.

Высота возмущения в источнике цунами составляет около 5 м. Так как средняя глубина в океане оценивается в 4 км, горизонтальный размер возвышения, порождающий волну, может превышать 100 км, то возникающая волна оказывается очень длинной. Скорость волны в открытом океане определяется только практически глубиной воды и составляет более 700 км/час, период волны составляет до 20 мин. Скорость волны на побережье до 40 км/час. После образования в каком-либо месте цунами может пройти несколько тысяч километров, почти не уменьшаясь.

Цунами характеризуется магнитудой, за которую принимают натуральный логарифм амплитуды колебания уровня воды (в метрах), измеренный стандартным мореографом у береговой линии на расстоянии от 3 до 10 км. Магнитуда цунами отличается от магнитуды землетрясения. Если сейсмическая магнитуда характеризует энергию землетрясения в целом, то магнитуда цунами - только часть энергии, которая пошла на образование цунами. Соотношение между магнитудами землетрясения и цунами, а также высотой главной волны показано в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Соотношение между магнитудами землетрясения и цунами

Магнитуда землетрясения, М Магнитуда цунами, m Высота главной волны h0, м
7,5 до 3
8,0 4 - 6
8,25 8 - 12
8,5 14 - 20

По мере распространения волны цунами от места образования обычно формируется группа волн, порядка десяти, которые достигают берега с периодом от 5 до 90 минут. Как правило, наибольшей большей является одна из первых трёх волн.

Скорость распространения волн цунами определяется по формуле:

ν = (2 ∙ g ∙ H)0,5, (10.1)

где, ν - скорость распространения волн, м/с; g -ускорение свободного падения, м/с2; H - глубина океана, м.

Время достижения волны цунами берега рассчитывается по формуле:

τ = L / ν, (10.2)

где, τ -время достижения волнами цунами берега, с; L - расстояние от эпицентра землетрясения, м.

При пологом дне по мере продвижения волны цунами к берегу происходит увеличение высоты волны и уменьшение её длины.

Разрушающими факторами волны цунами являются:

- гидростатическое давление слоя воды;

- динамическое воздействие слоя воды;

- размывающее действие потока.

Суммарное гидравлическое давление волн цунами на здания и сооружения равно:

ΔР = 0,5 ∙ ρ ∙ (g ∙ hs + β ∙ ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 10. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ОБСТАНОВКИ ПРИ ЦУНАМИ - student2.ru ), (10.3)

где, ΔР - суммарное гидравлическое давление, Па; ρ - плотность воды, кг/м3 (обычно принимают ρ = 1000 кг/м3); hs - высота цунами, м; νs - скорость потока на высоте волны hs, м/с; β - коэффициент лобового сопротивления здания (обычно принимают β = 1,4).

Изменение скорости водного потока по мере удаления от берега (уреза воды) описывается уравнением:

νs = νур ∙ (hs / hур)0,7, (10.4)

где, hур - скорость потока у уреза воды, м/с.

Скорость потока у уреза воды определяется по формуле:

hур = а ∙ ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 10. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ОБСТАНОВКИ ПРИ ЦУНАМИ - student2.ru , (10.5)

где, а - коэффициент, принимаемый равным 3 м/с; h0 - высота главной волны, определяемой по табл. 10.1.

Ориентировочно можно принимать высоту волны у уреза воды:

hур = 1,5 ∙ h0, (10.6)

Высота волны на различных расстояниях от берега равна:

hs = (hур - is) ∙ (1 - n), (10.7)

где, i - уклон берега; n -коэффициент шероховатости, определяемый по формуле:

n = ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 10. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ОБСТАНОВКИ ПРИ ЦУНАМИ - student2.ru , (10.8)

Дальность распространения по берегу определяется по формуле:

Sk = [hур ∙ (1 - n) - hk] / [i ∙ (1 - n)], (10.9)

где, Sk - дальность распространения воды по берегу; hk - глубина потока, м.

Для ориентировочного определения ущерба используются табл. 2.3 и табл. 10.2.

Таблица 10.2

Суммарное давление потока (ΔР ∙ 10-5, Па), вызывающего разрушение объектов определённой степени

Объекты Полное разрушение Сильное разрушение Среднее разрушение Слабое разрушение
Здания со стальными и железобетонными каркасами 0,90 - 1,50 0,75 - 0,90 0,65 - 0,75 0,45 - 0,65
Здания с лёгкими металлическими каркасами 0,75 - 1,05 0,45 - 0,75 0,30 - 0,45 0,15 - 0,30
Здания из сборного железобетона 0,60 - 1,90 0,45 - 0,60 0,30 - 0,45 0,15 - 0,30
Кирпичные здания, бескаркасные 0,68 - 0,98 0,53 - 0,68 0,30 - 0,53 0,20 - 0,30
Склады – навесы из железобетонных элементов 1,50 - 1,60 1,20 - 1,50 0,53 - 1,20 0,30 - 0,53
Административные многоэтажные здания 0,75 - 0,90 0,60 - 0,75 0,45 - 0,60 0,30 - 0,60
Деревянные здания   0,30 - 0,45 0,18 - 0,30 0,45 - 0,60 0,30 – 0,45
Здание трансформаторной подстанции из кирпича 0,90 - 1,20 0,60 - 0,90 0,30 - 0,60 0,15 - 0,30
Здания ГЭС (монолитный железобетон) 4,50 - 5,00 3,00 - 4,50 1,50 - 3,00 0,75 - 1,50
Наземные стальные газгольдеры 0,60 - 0,68 0,45 - 0,60 0,30 - 0,45 0,23 - 0,30
Стальные подземные резервуары для химпродуктов 3,00 - 3,20 1,50 - 3,00 1,05 -1,50 0,60 -1,05
Водонапорные башни   0,90 - 0,98 0,60 - 0,90 0,30 - 0,60 0,15 - 0,30
Воздушные линии низкого напряжения 2,50 - 2,60 1,50 - 2,50 0,90 - 1,50 0,69 - 0,90
Воздушные линии высокого напряжения 1,05 - 1,13 0,75 - 1,05 0,45 - 0,75 0,38 - 0,45
Подземные трубопроводы   33.0 - 33,0 15,0 - 30,0 09,00- 15,00 3,00 - 9,00
Радиорелейные линии телефонной связи 1,80 - 1,90 1,05 - 1,80 0,75 -1,05 0,45 - 0,75
Воздушные линии телефонной связи 1,50 - 1,70 0,90 - 1,50 0,60 - 0,90 0,30 - 0,60
Кабельные подземные линии связи 1,60 - 1,80 1,00 -1,60 0,65 - 1,00 0,40 - 0,65
Мосты из металла и железобетона пролётом до 50 м 3,80 - 4,50 3,00 - 3,80 2,30 - 3,00 1,50 - 2,30
Деревянные мосты   2,50 - 3,00 1,60 - 2,50 0,90 - 1,60 0,60 -0,90

Наши рекомендации