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 h 0, 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:
Δ Р = 0,5 ∙ ρ ∙ (g ∙ h s + β ∙ 
), (10.3)
где, Δ Р - суммарное гидравлическое давление, Па; ρ - плотность воды, кг/м3 (обычно принимают ρ = 1000 кг/м3); h s - высота цунами, м; ν s - скорость потока на высоте волны h s, 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:
ν s = ν ур ∙ (h s / h ур)0,7, (10.4)
где, h ур - скорость потока у уреза воды, м/с.
Скорость потока у уреза воды определяется по формуле:
h ур = а ∙ 
, (10.5)
где, а - коэффициент, принимаемый равным 3 м/с; h 0 - высота главной волны, определяемой по табл. 10.1.
Ориентировочно можно принимать высоту волны у уреза воды:
h ур = 1,5 ∙ h 0, (10.6)
Высота волны на различных расстояниях от берега равна:
h s = (h ур - i s) ∙ (1 - n), (10.7)
где, i - уклон берега; n -коэффициент шероховатости, определяемый по формуле:
n = 
, (10.8)
Дальность распространения по берегу определяется по формуле:
S k = [ h ур ∙ (1 - n) - h k] / [ i ∙ (1 - n)], (10.9)
где, S k - дальность распространения воды по берегу; h k - глубина потока, м.
Для ориентировочного определения ущерба используются табл. 2.3 и табл. 10.2.
Таблица 10.2
Суммарное давление потока (Δ Р ∙ 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 |
