Розрахунок осередку ураження при землетрусах

ВСТУП

Природні НС є результатом прояву стихійних сил природи, призводять до стихійного лиха.

Стихійне лихо - явище природи надзвичайного характеру, наслідком якого є порушення життєдіяльності людей, знищення матеріальних цінностей і загибелі людей.

В залежності від сфери прояву їх можна поділити на чотири групи:

- літосферні (землетруси, зсуви);

- гідросфері (повені, цунамі);

- атмосферні (бурі, урагани, смерчі);

- космічні (астероїди, метеорити, космічні випромінювання).

Антропогенний вплив розповсюджується і на прояв природних небезпек. Порушення рівноваги в природі в результаті діяльності людини призводить до підсилення небезпечних подій. Так, біля 80% зсувів пов'язані з діяльністю людини. В результаті вирубування лісу зростає активність селів, збільшується збиток від повені. Це наочно підтвердила катастрофічна повінь у Закарпатті у листопаді 1998 року.

За наявними оцінками, число небезпечних природних подій на Землі з бігом часу не росте або майже не росте, але людські жертви і матеріальні збитки збільшуються. Щорічно ймовірність загибелі жителя планети від природних небезпек орієнтовано становить 10^-4, тобто на кожні 100 тисяч жителів гине 1 людина.

Таким чином запобігання виникненню НС природного характеру, зниження їх наслідків і ефективний захист людей від природних небезпек є актуальною проблемою. Рішення цієї проблеми можливо здійснювати шляхом виконання заходів наведених в «Структурно-функціональній моделі мінімізації матеріальних та людських втрат в умовах НС природного характеру» (Додаток 3.). Передумовою цьому є глибоке вивчення причин і механізмів прояву природних небезпек,що дозволяє передбачити їх, прогнозувати наслідки і проваджувати як активні (будівництво інженерних споруд і та ін.), так і пасивні заходи щодо захисту життєдіяльності в районах лиха.

1. ОСЕРЕДКИ УРАЖЕННЯ ПІД ЧАС ЗЕМЛЕТРУСІВ

Землетрус - підземні поштовхи і коливання земної поверхні. Вони бувають тектонічні, вулканічні, обвальні, при падінні метеоритів та ін. найчастіше відбуваються тектонічні землетруси, які пов'язані з горотворними процесами і розривами земної кори, в результаті чого утворюється енергія величезної сили.

Щорічно на Землі відбувається більше 100 тис. тектонічних землетрусів, але не всі вони небезпечні. До десятка землетрусів на рік мають катастрофічний характер з утворенням складних осередків ураження. За декілька секунд руйнуються і затоплюються міста, руйнуються і деформуються будинки і споруди, комунально-енергетичні мережі, виникають пожежі, люди опиняються під завалами.

Основний уражаючий фактор землетрусу - сейсмічна хвиля (пружні коливання земної кори).

Об'єм у товщі Землі, що є джерелом землетрусу) називається гіпоцентром (гіпо - глибоко. Прямо над ним на поверхні землі знаходиться епіцентр (епі - мілко), навколо якого знаходиться область, що зазнає найсильніші поштовхи. Від гіпоцентру по твердому тілу землі розходяться пружні хвилі: поздовжні та поперечні.

Основні параметри землетрусу, що характеризують силу і характер землетрусу є: магнитуда, глибина гіпоцентру, сила землетрусу (інтенсивність енергії на земній поверхні).

Магнитуда (М) - це міра оцінки загальної енергії землетрусу. Вимірюється за шкалою Ріхтера (в межах від 0 до 9 балів), на якій кожна наступна одиниця відповідає (40-50) - кратному збільшенню енергії коливань (верхня межа відповідає самому катастрофічному землетрусу). Запропонована американським вченим Ч. Ріхтером у 1935р. магнитуда являє собою десятичний логарифм максимальної амплітуди зміщення земної кори (А_мах) по сейсмографу (в мікронах) на відстані 100 км від епіцентру землетрусу:

М = l g (λ _max)

Сейсмічна енергія (Е) пов'язана з магнитудою співвідношенням:

lgE = 4 + 1.6M

Звідки: Е=10 ^{(4+ 1.6 M)},(Дж)

Глибина гіпоцентру землетрусу - положення центра осередку (гіпоцентру) відносно поверхні Землі. Може бути, в межах від 0 до 700км. Чим більше глибина, тим на більшу відстань розповсюджуються сейсмічні хвилі.

Сила землетрусу (інтенсивність енергії) - енергія коливань на поверхні землі. Вимірюється за міжнародною шкалою МSК-64 в балах від 1 до 12.

Землетрус силою: 1 бал - непомітний, 2 - дуже слабкий, 3 - слабкий, 4 - помірний, 5 - досить сильний, 6 - сильний, 7 - дуже сильний, 8 - руйнівний, 9 - спустошуючий, 10 - знищуючий, 11 - катастрофічний, 12 - сильно катастрофічний.

Осередки ураження при землетрусах утворюються при силі V балів і більше. В залежності від сили землетрусу по ступеню руйнування в осередку умовно можна виділити 4 зони: слабких, середніх, сильних і повних руйнувань.

Наведені в таблиці 4.1. співвідношення наслідків землетрусів і інших стихійних лих з наслідками вибухів в залежності від надмірного тиску ΔРф дозволяє, по аналогії прогнозувати можливу обстановку і вести роботи по підвищенню стійкості будинків і споруд, організації захисту людей і рятувальних робіт, підвищенню безпеки життєдіяльності в умовах НС, використовуючи табличні дані для ударної хвилі.

Таблиця 4.1.

Характеристика зон руйнувань в осередку ураження під час аварій і стихійних лих

Зони руйнувань	Сила землетрусу, бали.	Бурі, урагани, смерчі	Надмірний тиск при вибухах ΔРф, кПа	Збитки (% виходу з ладу обладнання)
сила вітру	Швидкість вітру, м/с.
Слабких	У-УІ		18-22	10-20	10-30
Середніх	УІІ-УПІ		22-30	20-30	30-50
Сильних	УІИ-Х	12-13	30-50	30-50	50-90
Повних	Х-ХП	13-17	>50	>50	90-100

При землетрусах утворюються поздовжні, поперечні і поверхневі хвилі, що розповсюджуються від гіпоцентру. Поздовжні сейсмічні хвилі мають найбільшу швидкість (6-8 км/с) і відчуваються на поверхні землі в першу чергу. Поперечні хвилі здійснюють коливання у напрямку перпендикулярному до поздовжніх і мають швидкість в 2-3 рази меншу. Поздовжні і поперечні хвилі викликають руйнування на середніх відстанях від епіцентру. Поверхневі хвилі визначають руйнуючі дії в дальній зоні від епіцентру. Швидкість розповсюдження поверхневих хвиль 1-1,2 км/с.

Інтенсивність (сила) землетрусу на поверхні землі (І), що характеризує ступінь руйнування, залежить від глибини осередку Ь, магнитуди М, складу ґрунту і визначається за формулами:

В епіцентрі:

І₀ = 1,5М - 3,5 l g h +З,балів

На відстані:

де h- глибина гіпоцентру, км;

R - відстань до епіцентру, км;

М - магнитуда, в балах за шкалою Ріхтера (0-9) балів.

Енергія землетрусу визначається за формулою:

Е=10 ^{(4+ 1.6 M)}Дж

Проявлення наслідків землетрусу поділяється на дві фази:

Перша фаза - час прибуття поздовжніх, коли відчуваються поштовхи і будинки одержують незначні руйнування. Час прибуття першої фази визначається за формулою:

(с),

де V_позд - швидкість поздовжніх хвиль (для осадових порід V_позд=6,1 км/с);

R - відстань до епіцентру, км;

h - глибина гіпоцентру, км.

Друга фаза - час приходу поверхневих сейсмічних хвиль. Друга фаза головна, вона визначає ступінь руйнування об'єкту і час її прибуття визначається за формулою:

де V_пов - швидкість поверхневих хвиль (для піщаних ґрунтів V_пов =1,2 км/с, глини - 1 км/с, насипного ґрунту - 0,35 км/с).

Інтервал між 1 і 2 фазами складає 30 - 60 с, що дозволяє провести екстрені заходи захисту.

Заходи щодо захисту від наслідків землетрусів поділяються на попередні і дії під час землетрусу.

Попередні заходи захисту від землетрусів:

- Сейсмостійке будівництво;

- Нейтралізація джерел підвищеної небезпеки;

- Підготовка служб рятування і ліквідації наслідків землетрусу;

- Наявність в кожному будинку запасів продуктів, води на 3 -5 доби, аптечок;

- Навчання населення правилам поведінки під час землетрусів.

З початком землетрусу люди, які знаходяться в будинках до 2-го поверху, повинні терміново покинути приміщення і вийти на відкрите місце (за 25-30 с). В разі неможливості покинути будинок стати в прорізі дверей або капітальних внутрішніх стін. Вимкнути світло, газ, воду. Після припинення підземних поштовхів покинути приміщення (ліфтом користуватись заборонено). Знаходячись на вулиці, відійти подалі від будинків і споруд, стовпів і ліній електропередач. Знаходячись в автомобілі, негайно зупинитись у.небезпечному місті та перечекати поштовхи.

2. ПОВЕНІ ТА ЇХ НАСЛІДКИ

Повінь - тимчасове затоплення суші водою в результаті розливу річок вище звичайного горизонту внаслідок танення снігів, зливних дощів, льодових заторів або обвалу, руйнування дамб і гребель та інше. В приморських районах затоплення може бути під впливом гравітаційних хвиль підводного землетрусу - цунамі (в перекладі з японського – «велика хвиля в гавані»).

За кількістю людських жертв і матеріальних збитків, що припадають на одиницю площі, повені займають друге місце після землетрусів.

Уражаючим фактором повені є руйнуюча дія мас води.

Основними параметрами повені є: глибина затоплення, ширина території, що затоплюється, максимальна швидкість потоку води, тривалість затоплення. Параметри повені визначаються за формулами:

а) г либина затоплення (h_З), м

h₃ = h-h_{м, M},

де h - висота підйому води,м;

h_M - висота місця об'єкту, м.

б) ширина території, що затоплюється Ш,м

,

де α - кут нахилу берегової смуги, град.

в) максимальна швидкість потоку води (V_max), М/с:

.

де h - висота підйому води, м;

h₀ - глибина річки в звичайних умовах, м;

V₀- швидкість течії води в річці в звичайних умовах, м/с

При великій швидкості прибуття води руйнуюча дія потоку визначається величиною швидкісного натиску ΔР_ШВ- динамічним навантаженням потоку води, кПа

де ρ_в - густина води, г/см;

V - швидкість потоку води, м/с.

Уражаюча дія хвилі затоплення визначається її швидкістю (швидкістю потоку) Vз і висотою хвилі h₃.

Наприклад, цегляні житлові будинки одержують слабкі руйнування при Vз=1,5м/с і h₃=2,5 м; середні (2,5м/с, 4м) і сильні (3м/с, 6м).

При руйнуванні греблі гідротехнічної споруди в перший момент ураження викликають динамічні навантаження, які створюються хвилею прориву, що залежать від висоти хвилі, швидкості руху хвилі і інших чинників, наведено в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2.

Класифікація повеней за причинами виникнення

Найменування повеней	Причини виникнення	Висота підйому води	Тривалість
Повідь	Весняне танення снігу	2-3 м на малих, 15-20 м на великих ріках	До 15-20 діб на малих, 2-3 міс. на великих.
Паводкові	Дощі, зимові відлиги	Декілька метрів	До 15-20 діб на малих, гірські річки - декілька діб.
Зливневі	Інтенсивні короткочасні зливи	До 20-30	Декілька діб
Запірні	Осінньо-зимове скупчення шури	3-4, рідко 8 м	До 4-5 діб
Селеві	Змиття з гірських схилів пухкого ґрунту	Від 2-4 до 80-100 м	До декількох годин
Нагонні	Нагонні води в гирло річок при приливах, сильних вітрах	Від 2-3 м до 10-12 м	До 18-20 діб
Завальні	Перекриття річок обвалом, зсувами	Від декількох десятків до сотень метрів	Декілька годин до прориву завалу
Аварії на ГЕС	Зруйнування греблі	Десятки метрів	Декілька днів

Ступені руйнування будинків і споруд в залежності від глибини затоплення (висоти хвилі) h₃м і максимальної швидкості потоку води V_мах м/с наведені в таблиці 4.3.

Таблиця 4.3.

Наслідки дії води при руйнуванні греблі

		Слабкі	Середні	Сильні
		h3, м	Vmax, м/с	h3, м	Vmax, м/с	h3, м	Vmax, м/с
	Дерев'яні будинки (1-2 поверхи)			2,5	1,5	3,5
	Цегляні малоповерхові						2,5
	Цегляні середньо поверхові	2,5	1,5		2,5
	Промислові з легким металевим каркасом		1,5	3,5			2,5
	Промислові 3 важким металевим або залізобетонним каркасом		1,5
	Бетонні і залізобетонні будинки антисейсмічної конструкції		1,5

При руйнуванні греблі тривалість хвилі прориву t _З і висоту хвилі прориву h_в на різній відстані від греблі можна визначити за співвідношеннями, які наведені в таблиці 4.4.

Таблиця 4.4.

Залежність параметрів хвилі прориву від ємності водосховища, ширини прориву

та відстані до греблі

Параметри хвилі прориву	Відстань до греблі, км
Висота хвилі прориву hв, м	0,25Н	0,2Н	0,15Н	0,075Н	0,05Н	0,03Н	0,02Н
Тривалість хвилі прориву t З,год	т	1,7Т	2,6Т	4Т	5Т	6Т	7Т

Примітка до таблиці 4.4. Н - глибина води перед греблею, м; Т - час вивільнення водосховища, год, який визначається за формулою:

год

де W – обсяг водосховища, м³;

В – ширина прориву, м;

N – максимальний витік води на 1м ширини прориву м²/см.

Залежить глибини води перед греблею Н і максимального витіку води на 1м ширини прориву м²/см наведено в таблиці 4.5.

Таблиця 4.5.

Дата добавления: 2014-01-04