На протяжении многих лет люди живут в горных местностях, активно едут на отдых практически в любое время года, поэтому строительство в горных районах продолжает набирать обороты.
В горных районах, где выпадает много снежных осадков, часто происходят снежные обвалы (лавины) с крутых склонов. Лавинами называют снежные массы объемом в десятки и сотни тысяч, а иногда в несколько миллионов кубических метров, которые потеряли сцепление с подстилающей поверхностью и с большой скоростью обрушиваются вниз по склону, разрушая дорогу и дорожные сооружения.
Как показали измерения, сила удара прямо пропорциональна скорости лавины, достигающей 30 м/с. Перед лавиной движется воздушная волна, вызывающая разрушения в тех местах, до которых лавина не доходит.
На горных склонах снежный покров всегда имеет слоистость. Слои снега различной плотности часто разделяются корками твердого обледеневшего снега («снежная или ветровая доска»), образующимися в результате смерзания снега при сильном ветре. Плотность снега на горных склонах колеблется от 0,04—0,05 (свежевыпавший) до 0,7—0,8 (мокрый снег). Соответственно сильно меняется и удельный вес снежной массы от 0,4—0,5 до 7 – 8 кН/м³.
В течение зимы в снежном покрове происходят процессы перекристаллизации, вызванные движением водяных паров из нижних слоев снега в верхние под влиянием разницы температур, достигающей 10—15°. Верхние слои уплотняются, а в нижних создается рыхлая прослойка из ледяных кристаллов — «глубинный иней», обладающая малым сопротивлением сдвигу. Во время оттепелей в снежном слое образуются настовые прослойки, между которыми находится мелкий сыпучий снег.
По мере увеличения толщины снегового покрова и образования в нем ослабленных прослоек устойчивость снега на склоне уменьшается. При достижении критического равновесия бывает достаточно самого небольшого толчка от падения снежного козырька, образующегося на подветренном склоне, сотрясения воздуха от порыва ветра, выстрела или даже громкой речи, чтобы обрушилась лавина.
Различают сухие и мокрые лавины. Первые образуются в периоды морозов. При их сходе сухой снег сильно распыляется, образуя своеобразное снежное облако, движущееся вниз с большой скоростью.
Лавины из мокрого снега образуются весной или во время сильных оттепелей. Нижние слои снега пропитываются водой. Их сцепление с поверхностью земли или плотной снеговой прослойкой уменьшается, и снежная масса сползает вниз по склону, увлекая с собой камни и деревья, сломанные при движении.
Участки, на которых происходят снежные обвалы, характеризуются крутыми логами и тальвегами, имеющими в верховьях впадину — снегосборный бассейн, в котором накапливается снег. Пришедший в движение снег скользит по сравнительно узкому каналу стока (лавинному лотку). Скатившись к подножью склона, лавина расширяется, замедляет свое движение н, остановившись, образует конус выноса из снега, увлеченных камней, грунта, стволов деревьев и т. д.
Высота конусов достигает 10 -20 м. Накапливаясь в течение ряда лет, материалы, принесенные лавиной, иногда образуют в долине конусы выноса, которые при узких долинах и большой высоте снегосборного бассейна перегораживают долину, иногда достигая ее противоположного склона. По характеру движения снежной массы проф. Г. К. Тушинский различает три типа лавин:
〈- осовы, при которых вся масса снега на склоне равномерно смещается по склону без строго фиксированного русла;
〈- лотковые лавины, при которых снег со снегосборного бассейна вначале скользит по логу — сравнительно узкому каналу стока. Склоны канала лишены растительности и имеют следы лавинной эрозии;
〈- прыгающие лавины, которые вначале смещаются но каналу стока, а затем, когда он образует горизонтальную площадку пли уклон его увеличивается, слетают с уступа и об рушиваются на дно долины.
При изысканиях горных дорог необходимо установить участки, опасные в отношении снежных обвалов. Это можно сделать на основе изучения картографического материала или данных аэрофотосъемки, а также непосредственным осмотром на местности. Следует учитывать, что на крутых склонах с уклоном более 60° больших накоплений снега не бывает, так как он осыпается постепенно. Наиболее опасны склоны с крутизной 25 — 45°, на которых может накапливаться большое количество снега, постепенно приходящего в неустойчивое состояние.
Лавины оставляют на местности характерные следы, по которым можно ориентировочно оценить частоту их схода. При сходе лавин несколько раз в год лавинные лотки четко выработаны, отсутствуют травяной покров и кустарники. В местах конусов выноса лавин снег сохраняется до июня – июля, что вызывает появления в этих местах влаголюбивой растительности и запаздывание сезонных процессов роста. Если лавины повторяются 1 раз в несколько лет, на склонах развивается угнетённый стелящийся кустарник и сохраняются поваленные и сильно наклоненные тонкоствольные деревья лиственных пород с вертикальными ветками.
Если лавины образуются редко, 1 раз в несколько десятков лет, в лавинных лотках и на верхней части конуса выноса может развиваться лиственный и смешанный лес со следами повреждений. В безлесных местах характерны отдельно лежащие крупные каменные глыбы объёмом до нескольких кубических метров.
При изысканиях следует избегать пересечения дорогой лавиноопасных мест. При невозможности обхода дорогу располагают над дном долины на такой высоте, чтобы ее не закрывали снежные завалы от скатывающихся лавин. При неизбежности пересечения лавиноопасных участков дорогу следует прокладывать через участки каналов стока, где легче всего построить снегозащитные галереи и где они будут иметь наименьшую длину.
На рисунке-1 показаны два варианта трассы в районе со снежными обвалами. В первом варианте ( сплошная линия) трасса проложена с развитием линии в пределах всего горного склона. Она несколько раз пересекает лавиноопасные места. Во втором варианте ( пунктирная линия) трасса развивается в пределах лесного массива, не подверженного опасности снежных обвалов, и только один раз пересекает лавиноопасное место в зоне лавинных лотков.
Рисунок-1. Варианты трассы на участке снежных обвалов
1-альпийский луг; 2-лес; 3-кустарник; 4-отвесный обрыв;5-конусы лавин; граница распространения воздушной волны. Сплошная линия -первый вариант трассы; пунктирная линия -второй вариант трассы ; Пл-прыгающая лавина ; Лл-лотковая лавина
Для борьбы с завалами дорог предусматривают ряд мер, направленных на уменьшение накопления снега в лавиносборных бассейнах, повышение устойчивости снега на склонах, замедление движения масс снега, отклонение лавины от дороги или пропуск ее над дорогой.
Лавинная безопасность
Одним из источников поступления снега в лавиносборные бассейны является его сметание ветром с расположенных выше наветренных склонов. . Для задержания снега на плато устраивают каменные стены и устанавливают на зиму в несколько рядов снегосборные щиты, аналогичные по конструкции используемым для придорожных ограждений. На ровных гладких склонах лавиносборного бассейна для задержания снега сооружают каменные стены, земляные валы и террасы.
В некоторых случаях при благоприятном рельефе местности скатывающаяся лавина может быть отклонена от дороги при помощи отбойных дамб в виде мощных насыпей с надежным укреплением откосов высотой до 10 – 15 м, расположенных под углом не более 30˚ к направлению ее движения( смотри рисунок-3 и рис-4). Защищая дорогу от снега, эти сооружения не предохраняют ее от действия воздушной волны.
Рисунок-2. Снегозащитная галерея
Наиболее надежным способом защиты дороги от лавин являются галереи. На рисунке-2 хорошо заметны снегосборный бассейн -характерная воронка на склоне, в которой накапливается снег и лог, по которому происходит движение снежной лавины. Чтобы снежная масса проскакивала по кровле без удара, галерею располагают обычно на полках, врезаемых в склоны тальвега, но которому скатывается лавина. Над галереей делают засыпку с таким расчетом, чтобы получилось естественное продолжение склона местности или даже крутизна немного увеличилась.
Рисунок-3. Схема защиты дороги от лавин лавиноотбойными дамбами:
а-план местности и расположения дамб;б — план ряжевого лавинореза; в — план лавинореза из камня; 1 — направления движения лавины; 2 — контуры конусов выноса; 3 — направляющая дамба; 4 — лавинорез; 5 — направляющая стена; 6 — защищаемые объекты.
В настоящее время галереи строят преимущественно закрытыми из сборных железобетонных элементов. Применявшиеся ранее галереи в виде навесов, открытых с низовой стороны, оказались неудачными, так как при сходе лавин и сметании ветром снега со склонов в результате возникновения воздушных завихрений заносились снегом.
Рисунок-4. Лавиноотбойная дамба простая и со рвом
7-каменная наброска с выкладкой верхнего ряда ; 8-одевающая выкладка крупным камнем, 9-грунт.Противолавинные сооружения рассчитывают на вертикальные и горизонтальные составляющие давления от удара и веса снежного обвала.
Расчетную скорость движения лавины определяют приближенным методом С.М. Козика:
V=√2gz, где z=Hв-(H/L) lв-расстояние, определяемое согласно рисунку-5.
Рисунок-5. Схема к определению скорости лавины
O-точка отрыва лавины; A-край лавинных ограждений
Параллельно склону давление лавины на поверхность ( H/м²) направляющего сооружения ( лавинорез, отбойная дамба, направляющая стенка)
Q=(ϒv²/2g) sin²β, где β-угол между направлением движения лавины и поверхностью сооружения, град; ϒ-удельный вес снега, H/м³ ( свежевыпавший снег 0,3·104 и мокрый снег 0,5H/м³).
Рисунок-6.Конструкции противолавинных галерей
а-балочная консольная; б-арочная;1-стойка верхней опоры; 2-железобетонная балка;3-вертикальная или наклонная стойка; 4-горизонтальная опорная балка; 5-фундаментная подушка; 6-фундаментная плита;7-фундамент верхних опор; 8-засыпка; 9-дренажный лоток; 10-мощение; 11-бетонное покрытие; 12-тощий бетон; 13-летний путь; 14-устои галереи.
Давление лавины на кровлю галереи Qr=Q+Υhл cos α,где hл-толщина слоя скатывающейся лавины ; α-угол наклона кровли галереи к горизонту.