Gubler, H. (1977). Künstliche Auslösung von Lawinen durch Sprengungen. Mitteilungen des Eidg. Institutes für Schnee- und Lawinenforschung: Vol. 35.

Mitteilungen des Eidgenössischen Institutes für Schnee- und Lawinenforschung

Oktober 1977

Künstliche Auslösung von Lawinen durch Sprengungen.

Autor:

H. Gubler

Nr. 35

1 2 2-1 2-2 2-2-1 2-2-2

KuESTLICHE ÄUSLOESUNG VON LAWINEN DURCH SPRENGUNGEN

INHALTSVERZEICHNIS

Einleitung

Vergleich der Wirkung verschiedener Ladungstypen Experiment und Resultate

Diskussion der Resultate

Vergleich der verschiedenen Sprengstofftypen Vergleich der in der Schweiz für Handsprengungen angebotenen speziell abgepackten Ladungen

2-2-3 Wirkung der Minenwerfergranaten WG66 und der Rak.Rohrgeschosse HPz 59

2-3 Messung der Zünderempfindlichkeiten der HPz Rak 1 1 1 5 5

10

12

59- und der WG66(MZ55)-Geschosse 14

2-4 Zusammenfassung der Resultate 17

3 Interpretation der in der Schneedecke gemessenen seismischen Signale

3-1 Bestimmung des Verschiebungsvektors

3-2 Zusammenhang zwischen dem Quelldruckverlauf und 18 18

der resultierenden Verschiebungsbeschleunigung 20 3-3

3-4

Sprengpunkt in der Schneedecke Sprengpunkt über dem Schnee

3-5 Ausbreitung der N-Wellen über der Schneedecke und ihre Wirkung auf die Schneedecke

3-6 Ausbreitung der Verschiebungswellen in der Schneedecke

21 23

23

25

auf das Schneegefilge

3-7-1 Erzwungene Schwingung der Schneedecke 3-7-2 Reine Schubverformung

3-7-3 Beidseitig eingespannter Balkenmitdreieck- förmiger Lastverteilung

3-8 4 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 5

Schlussfolgerung

Registrierung von Perioden kleiner Stabilität Grundlagen

Messmethode

Spezifikationen der Messkanäle Darstellung der Resultate Ausblick

Verdankungen Literaturverzeichnis

29 30 31

31 31 32 32 32 35 48 51 52 53

- 1 -

1 Einleitung

2

2-1

In diesem 2. Zwischenbericht werden im Wesentlichen die Untersuchungen und Resultate des 2. Versuchswin- ters 1976/77 beschrieben. Die eigentliche Experimen- tierphase beschränkte sich wegen der mehrmals verzöger- ten Ablieferung der neuen Messkabine (Fig.1) einer- seits und des ungewöhnlich frühen Wärmeeinbruchs Mitte März anderseits auf die Monate Februar und März. Ein- zig die Stabilitätsmessungen (Kap.4) sowie einige aku- stische Experimente wurden im April und Mai in unmittel- barer Nähe des Institutes auf dem westlichen Ausläufer des Schwarzharngrates weitergeführt. Die Vergleichs- versuche mit den in der Schweiz hauptsätzlich verwen- deten Ladungen und Geschossmwurden abgeschlossen.

Hingegen konnten die Experimente zur Bestimmung der Empfindlichkeit der Zündsysteme der üblicherweise ver- wendeten Minenwerfer- und Rak.Rohrgeschosse noch nicht beendet werden.

Die Definitionen für die verwendeten Symbole sind im 1. Zwischenbericht, Mitteilung Nr.32, Kapitel 3 gege- ben.

Vergleich der Wirkung verschiedener Ladungstypen Experiment und Resultate

In einem speziellen Experiment wurden die in der Schweiz gebräuchlichsten Ladungs- und Geschosstypen auf ihre relative Wirksamkeit untersucht. Die Spezifi- kationen der untersuchten Ladungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Die Ladungen wurden jeweils in 4 verschiedenen Positionen relativ zur Schneeoberfläche zur Detonation gebracht: d = -1m+ - 1.5m ~Ueber- schneesprengung"] , d = 0. 2 m ["Handsprengung", Ge- schossdetonation an der Oberfläche], d = 0.7 m [teil-

Fig.1 Messkabine des EISLF montiert auf ein Schneeraupenfahrzeug. Steckbrief: Volliso- liert, Gasheizung filr Dauerbetrieb, Bord- netz 12V/220V (Generator 2.2 kW) 2 stoss- gedämpft eingebaute Elektronik-Normschränke, Klappsitze, Klapptisch, Staukästen, Wahl- leitungsnetz.

Ladung Sprengstoff- Dichte Schlagempfind- Arbeits- Detonationsge- Gasvolumen gewicht (kg m- 3] lichkeit faktor schwindigkeit (m3 kg -1]

[kg] [m] [106_J kg- 1] im Stahlrohr

[ms

-lJ

Plastit 1 1400 o.6 4.2 6900

-

Plastex

1.3 1700 0.35 4 7000

-

Sprengbilchse

Alpinit (Gott- 1.5 1200 keine Reakt. 5.8 4900 .56

hardit 100)

Amolit 1.5 800 keine Reakt. 3.6 1200 - 2800 .97 \>I

WG66 '1.0.5 Granate mit Splittermantel (Sprengstoff: Trotyl) HPz 59 '1.0. 5

.

Hohlladungsgeschoss

Tabelle 1 Spezifikationen der untersuchten Ladungen

0,3

~

10m

H7

•

· (br )² bv ( H 8)1 ·

•

• • •

Sv

Messschacht

2

30m

(H8)²

•

"'

)1 Versuchsanordnung 1 )2 Versuchsanordnung

2

Figur 2 Versuchsanordnung

(br bvP9) ·

•••

-::

Messschacht

H 7, HB, P9

br bv

h-1,5m

. .

. 1 _·q_2n:

^0,7.

.

~

Sprengpunkte

Luft Druckmessung Beschleunigung radial Beschleunigung vertikal

Sv Seismometer (Vertikalkomponentel 1,3 (B

-;-1,5m oden)

~

- 5 -

weise verdämmte Ladung, Geschosszünder spricht erst bei Erreichen der Altschneeschichten an], d ~ 1.5 m Boden [Geschosszünder spricht erst auf der Bodenober- fläche an]. Die Geschosse wurden ohne Aufschlagzünder elektrisch gesprengt. Fig.2 zeigt die Versuchsanord- nungen. Für jede Versuchsprengung wurden nach den im 1. Zwischenbericht [1] beschriebenen Methoden die Ma- ximalamplituden der Luftdruck -N-Wellen und der Ver- schiebungsgeschwindigkeiten bestimmt. Alle Werte sind als Verhältnisse zu den Maximalamplituden der entspre- chenden Plastitsprengungen berechnet und in Tabelle 2 eingetragen. Da die maximalen Verschiebungsgeschwin- digkeiten in der Schneedecke für alle Sprengpunktpo- sitionen im Wesentlichen durch die sich über der Schneedecke ausbreitenden N-Welle verursacht wurden, konnte über die entsprechenden Verhältniszahlen der Luftdruckmessungen und der Verschiebungsgeschwindig- keits-Messungen gemittelt werden. Die Resultate mit den entsprechenden Streuungen sind in Fig.3 zusammen- gestellt. Die relativen Wirkungen der verschiedenen Sprengstofftypen bei gleichen Ladungsdotationen sind in Tabelle 3 zusammengestellt. In Fig.4 ist das Schnee- deckenprofil aufgenommen im Messschacht Nr.1 darge- stellt. Als Untergrund wurde harter Alpwiesboden ge- wählt.

2-2 Diskussion der Resultate

2-2-1 Vergleich der verschiedenen Sprengstofftypen Bei Sprengpunkten über der Schneedecke ergeben die hochbrisanten Sprengstoffe Plastex/Plastit die besten Wirkungen. Die spezifischen Eigenschaften des Schnees an der Sprengstelle wie schlechte Impedanzanpassung, schlechte Verdämmung, grosse Kompressibilität, starke Dämpfung der plastischen Wellenfront beeinträchtigen die Ausbildung und Ausbreitung der Luftdruck-N-Welle praktisch nicht. Die resultierenden Schockwellenam-

[m] (pos. V V

(~P)N im Schnee)

(v

_p ^{)rad (vp)vert}

s>20m (s<20m) Plastit -1. ,--1,5

(1 kg) 0.2 0.7 1 1 1 1

1.3 - 1.5

Sprengbilchse -1.,-1,5 0.94 ( 1. 62) 1.10 1.08 1.04

(Plastex 0.2 0.76 (1. 1) 0.78 0.70 0.74

1,3 kg) 0.7 1. 2 1.5 1.3 1.3

1.3 - 1.5 1.0 0.9 1.08 0.99

Alpinit -1.,-1,5 0.98 (1.43) 1.07 1.04 1. 03

(Gotthardit 100 0.2 1. 65 1.81 1.78 1.75

1,5 kg) 0.7 1.8 3 2.8 2.5

1.3 - 1.5 1. 6 2.2 2.4 2.1

Amolit -1. ,-1,5 0.67 0.54 0.60 0.61

(1,5 kg) 0.2 o.44 0.33 0.21 0.33

0.7 1 1.9 1.35 1.42

1.3 - 1.5 0.52 0.8 1.25 o.86

WG66 0.2 0.26 0.25 0.22 0.24

0.7 0.5 0.4 o.47 0.46

1.3 - 1.5 0.37 0.39 0.31 0.36

HPz 59 -1.5 0.55 0.39 0.55 0.50

0.2 0.43 0.33 0.34 0.37

0.7 0.33 0.59 0.51 0.48

1.3 - 1.5 0.76 o.48 0. 43 0.56

Tabelle 2 Verhältnis der Maximalamplituden der radialen und vertikalen Verschiebungsgeschwindigkeiten c;plrad• (~Plvert und der N-Wellendrilcke (~p)N der verschiedenen Ladungstypen zu den entspre- chenden Messwerten mit Plastit. Die geschätzte relative Standardabweichung beträgt für d>O:

C7'I 1

~

^{Plastit Plastex} Gotthardit Amolit d>0 / d<0 d>0 / d<0 d>0 / d<0 d>0 / d<0

Plastit 1 o.84 ; 0.87 1. 6 / 1 0.67 I o.47

Plastex 1. 18 / 1. 14 1 i.89 / 0.90 0.78 / 0.53

Gotthardit 0.62 / 1 0.53 / 1.11 1 o.41 / 0.59

Amolit

Tabelle 3

1.49 / 2.12 1.28 / 1.88 2.43 / 1.69 1

Zusammenstellung der relativen Wirkungen verschie~ener Sprengstoff- typen (lkg-Ladungen) A/B. Die mittleren Fehler betragen für d<0 maximal 10%, für d>0 ungefähr 20%.

(d<0: Sprengpunkt über der Schneeoberfläche, d>0: Sprengpunkt in der Schneedecke)

-.1 1

Wirkung relativ zu Plastit

2,5 2,1.

2,2 2,0 1,8 1, 6

, I

l.

1, 2 1, 0 0,8

0,6 0, l.

0,2

0

Boden

l

0,70

o Plastex ö Alpinit

+

Amolit x

WG 66 o

HPz

59

Plastit

Sprengpunkt

Figur 3 Mittlere Wirkung der verschiedenen Ladungstypen relativ zu Plastit. Die Fehlerbalken schliessen die extremen Abweichun- gen der Einzelwerte vom Mittelwert ein. Die möglichen syste- matischen Fehler sind bei kleinen Vergrabungstiefen maximal, da sich in diesem Bereich kleine Aenderungen der Sprengpunkt- position relativ zur Schneeoberfläche sehr stark auf die re- sultierenden Maximalamplituden auswirken.

Schneeprofil Profil de neige

Bemerkun1en:

Remarqun:

z ... .._

..

a--._...,..,,...

D • -

.,_.... . . .,.111e(-N.C.I 0 aS,U. GNlcM

,...,.,., ... c-..

T•ScMNt-..,w4•

...

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,..._..,.kt!: ...

WIMttchbml - -Stlrl:•:

4nvlioft.,""' ^sl fCll"lltl:

Nl•d•nchlog 1

s,r'clpltotlon,

~ 19 ,. 17 16 15 ' ' 13 12 11

- 9 -

Orpnlaaüon: SLF

Datum; Zelt:14, 2, 77

Date; heure: l))O Profil Nr •.. 2

2,10

Ge1amtwo1N1rwert1 Wlleur d'eau totale,

Mittlerer la•mwldentand r6sbtanc. moyenM ov battago SchnHh6ho P-aol haut.ur do la neige au Jalon

HW

a

i

HS.

- K D

·-

i,1a11nct11,

~54,J 294.9 8.802

+ '

^-1

20

3

•a1m' .

..

.

..

plituden nehmen mit zunehmender Detonationsgeschwin- digkeit zu. Das hohe Arbeitsvermögen des Aluminium- slurry-Sprengstoffes Gotthardit 100 führt zu einer si- gnifikanten Wirkungsverbesserung gegenüber dem 9ela- tine-A-Sprengstoff (+30%) trotz vergleichbarer Deto- nationsgeschwindigkeit. Erfolgt die Detonation in der Schneedecke (d ~ 0.2 m), so werden die spezifischen Eigenschaften des Schnees wirksam. Weniger brisante Sprengstoffe führen aufgrund der besseren Impedanz- anpassung teilweise auch aufgrund des grösseren re- sultierenden Gasvolumens zu einer Verbesserung des Kraterauswurfs und damit zu einer Verbesserung der Wirkung der Stosswelle auf die Luft über der Schnee- decke. Die hohe Energiekonzentration von Gotthardit 100 zusammen mit dem vorteilhafteren Detonationsab- lauf ergibt eine signifikante Wirkungsverbesserung bei Sprengpunkten in der Schneedecke, verglichen mit den anderen getesteten Sprengstoffen.

2-2-2 Vergleich der in der Schweiz für Handsprengungen an- gebotenen speziell abgepackten Ladungen

In den Untersuchen wurden die Wirkungen der beiden speziell für Lawinensprengungen abgepackten Produkte Plastex (-Sprengbüchse) und Alpinit (Gotthardit 100) direkt verglichen. Das Ladungsgewicht der beiden Pro- dukte unterscheidet sich nur geringfügig (vgl. Tabel- le 1). Die Plastexbüchse enthält eine spezielle Ein- richtung zur Befestigung der Zündschnur inklusive Sprengkapsel an der Ladung am Einsatzort (Fig.5). Die Erfahrungen zeigen allerdings, dass diese Befestigung ungenügend ist und durch Ausreissen der Zündschnur aus der Sprengkapsel zu Blindgängern führen kann. Es emp- fiehlt sich deshalb auch bei der Plastexbüchse genau wie bei der in einem Plastikschlauch verpackten Alpi- nitladung die Zündschnur zusätzlich mit Klebband zu sichern. Damit können beide Ladungstypen im allgemei- nen nicht erst am Einsatzort zusammengesetzt, sdndern

- 11 -

PLASTEX

Figur 5 Handelsübliche spezielle Ladung für Lawi- nensprengungen in der Schweiz: Plastex- büchse 1,3 kg mit doppeltem Deckel zur Ein- führung und Befestigung der Zeitzündschnur inklusive Zündkapsel, Alpinit 1,5 kg, Altorfit 1 kg, Plastex 1 kg.

müssen vollständig vorbereitet zum Einsatzort mitge- bracht werden. Das Verhältnis der Wirkung der Plastex - zur Alpinitladung für Sprengungen über der Schnee- oberfläche beträgt 1.0, für Sprengungen in der Schnee- decke (d ~ 0.2 m) o.47. Damit ist die Alpinitladung für Handsprengungen, sofern ein Einsinken der Ladung im Schnee nicht verhindert werden kann, vorzuziehen.

Für Sprengungen auf und über der Schneedecke zeigen die beiden Ladungstypen eine vergleichbare Wirkung.

2-2-3 Wirkung der Minenwerfergranaten WG66 und der Rak.Rohr- geschosse HPz Rak 59

Die Resultate in Tabelle 2, Fig.3 zeigen, dass die Wirkungen der Ladungen der WG66 und der HPz Rak 59 im Verhältnis zur Wirkung von Plastit näherungsweise un- abhängig von der Sprengpunktposition sind. Dieses Ver- halten ist zu erwarten, da sowohl die WG66 wie auch HPz 59 hochbrisante Sprengstoffe enthalten.

Die Wirkung der HPz 59 beträgt ungefähr die Hälfte einer 1kg Plastex- oder Plastit-Ladung. Der Splitter- mantel der WG66 bewirkt bei etwa gleicher Ladungsdo- tation eine nochmalige Reduktion der Wirkung gegenüber der HPz 59 um weitere 30%. Bei mehr als 1.5 m Schnee- überdeckung ist für die WG66 die Ausbildung eines of- fenen Kraters bereits nicht mehr gewährleistet (Kel- lerschüsse). Für solche Sprengpunkte reduziert sich die Flächenwirkung somit auf einen Umkreis von weni- gen Metern. Bei der Hohlpanzerladung HPz 59 hat sich gezeigt, dass der "Stachel" von der eigentlichen Deto- nationsstelle (Krater) ca. 4 m tief in den Schnee ein- dringt. Eine für den Lawinenauslösemechanismus wesent- liche Strukturschwächung durch den Feuerstrahl ("Sta- chel") konnte nicht beobachtet werden. Eine genügende Flächenwirkung kann filr die beiden Geschosstypen nur erreicht werden, wenn es gelingt die Ladungen auf oder sehr nahe der Schneeoberfläche zur Detonation zu brin- gen [zilnderempfindlichkeit Kap.2-3].

Geschoss

HPz 59

WG66

Tabelle 4

Schuss Auftreff- Krater Interpretation d Profil Ramrnwiderstand winkel ha [m] der Druckmessung geschätzt No am Detonations-

[m] ^(Fig. 6] punkt [N]

min. max.

1 26° 0.4 Oberfläche 0 - 0.2 5 10 20

2 30° 0.4 ^II 0 - 0.2 6 10

3 30° 0.4

"

^{0 - 0.2 6 10}

4 270 0.4 ^II 0 - 0.2 6 10

5 39° 0.4 ^II 0 - 0.2 5 10 20

6 190 0.4 ^II 0 - 0.2 6 10

7 100 0.4 ^II 0 - 0.2 6 10

1 104° Boden (1.35) Kellerschuss Boden 9 >150 Boden

2 107° Boden (0.7) In der Schnee- 0.3 - 0.5 150N<R >150 Boden

decke <300N

3 97° Boden (1. 35) Kellerschuss Boden 9 >150 Boden

4 80° 0.7 Nahe der Ober- 0.2 - 0.3 7 >130 330

fläche

5 80° 0.6 ^II 0.2 - 0.3 8 >190 770

6 80° 0.75 ^II 0.2 - 0.3 8 >190 770

Resultate der Zilnderempfindlichkeitsmessungen in Schnee. Auftreffwinkel: Winkel in Altgrad zwischen Schneedecke und Flugbahntangente an der Einschlagstelle. ha: Tiefe des sichtbaren Kraters. Auftreffgeschwindigkeit: HPz 59: 200 ms- 1 , WG66: 70 ms- 1 .

(d: Detonationstiefe unter der Schneeoberfläche [m]. Die tabelierten Rammwiderstände sind in [ N] angegeben, 1kg* " 10N.)

1-' IJj

2-3 Messung der Zünderernpfindlichkeiten der HPz Rak 59- und der WG66(MZ55)-Geschosse

Die Zünderernpfindlichkeiten der verwendeten Geschoss- typen sind entscheidend für ihren Wirkungsbereich. Um die Zünderernpfindlichkeiten in Schnee zu messen, wur- den WG66 mit Mornentanzündern MZ55 sowie HPz Rak 59 verschossen. Im Zielgebiet wurden Luftdruckmessungen zur Registrierung der resultierenden N-Wellenarnplitu- den sowie Kratergeornetriernessungen vorgenommen. Aus diesen beiden Messungen liess sich der jeweilige Sprengpunkt genügend genau bestimmen. Zusätzlich wur- den an den einzelnen Einschussstellen die Einschuss- winkel relativ zur Schneeoberfläche gemessen und Ramm- profile aufgenommen. Die Schussdistanz für die Rak.- Rohrgeschosse betrug (50-70) rn, sodass die Auftreffge- schwindigkeit ungefähr der Geschossanfangsgeschwindig- keit v

0 = 200 rns-l gleichgesetzt werden kann. Die Wurfgranaten wurden mit Ladung 0 bei gleicher Höhe von Stellung und Ziel verschossen, womit sich eine Auftreff- geschwindigkeit von ca. 70 rns- 1 ergibt. Weitere Versu- che mit verschiedenen Auftreffgeschwindigkeiten sowohl für die WG66 wie auch für die HPz 59 sind für den Win- ter 1977/78 geplant. Tabelle 4 zeigt eine Zusammenstel- lung der bereits vorliegenden Resultate. Die wesentli- chen Teile der entsprechenden Rammprofile sind in Fig.6 dargestellt. Die Auswertung der Versuche zeigt, dass alle Rak.Rohrschüsse unmittelbar an der Schneeoberflä- che (d ~ 0.2 rn) detoniert sind. Zur Zündung der HPz 59 genügen unabhängig vorn Einschusswinkel (>10°) Rarnrnwi- derstände 10N ~ R < 20N. Bereits Rarnmwiderstände von

~l0N können den Zünder initialisieren. Die hohe An- sprechempfindlichkeit scheint eine Folge einerseits des grossflächigen haubenförrnigen Zündkopfes (Fig.7) und anderseits der vollständig verzögerungsfreien elek- trischen Zündung zu sein. Der Mornentanzünder MZ55 der Minenwerfergeschosse, ein mechanisch-pyrotechnischer Zünder reagiert in Schnee wesentlich unempfindlicher

1J .,

)

...

Jl

0

lgur 6

~ Schneehohe

0 in cm

(Skala nur für Prof. 5)

C]')

0

r--0

N 0

c..n

0

Schneehöhe 1n cm Ramrnprofile an den Einschussstellen der Minenwerfer- und Rak.- Rohrgeschosse (vgl. Tabelle 4)

;o

l)J

3

3

~ 0.

n>

....

l/1

-

l)J ::, 0.

::,

""'"

lO•

Figur 7

a b

Minenwerfergeschoss WG66 (a) und Rak.Rohrgeschoss HPz 59 (b)

- 17 -

als der HPz Rak. 59-Zünder, obwohl beide Zündsysteme gemessen in mm Karton ähnliche Zünderempfindlichkeiten aufweisen. Bei der WG66 beträgt die Zündkopffläche nur ein kleiner Bruchteil der totalen Geschossquerschnitts- fläche, zudem kann der Zünder nur durch einen Schlag der Zündspitze auf die Zündkapsel initialisiert werden.

Im Gegensatz dazu ist für die Kontaktherstellung im Zündkopf der HPz Rak 59 durch Deformation der dünnwan- digen Aluminiumhaube die Stossform unwesentlich. Die minimalen Rammhärten für die Auslösung des MZ55 be- trägt 200N (Auftreffgeschwindigkeit vA = 70 ms- 1 ).

Eindringtiefen von Geschossen und Splittern in die Schneedecke sowie die Kraftwirkung von Fliesslawinen auf ortsfeste Hindernisse ermöglichen eine Abschätzung der auf den Zündkopf wirkenden Kräfte als Funktion der Eindringgeschwindigkeit: Die zu erwartenden Kräfte sind proportional zu vA· 5f1 · 3 . Damit ergibt sich für einen Minenwerferschuss mit Ladung 6 bei einer Ueber- höhung des Ziels um 500 m (vA = 170 ms- 1 ) maximal eine Verdreifachung der auf den Zündkopf wirkenden Kraft.

Die Zünderempfindlichkeit des Rak.Rohrgeschosses bleibt somit auch bei grossen Auftreffgeschwindigkeiten der Minenwerfergeschosse immer noch signifikant besser.

Zusammenfassung der Resultate

Die heute für Lawinensprengungen eingesetzten Spreng- stoffe zeigen bezüglich ihrer Wirkung deutliche Unter- schiede. Alpinit (Gotthardit 100) zeigt bereits bei kleinen Einsinktiefen (d ~ 0.2 m) aufgrund seines De- tonationsablaufes und des hohen Arbeitsvermögens eine signifikant bessere Wirkung als der Knäppersprengstoff Plastex, Für Sprengpunkte auf und über der Schneedecke unterscheiden sich die Wirkungen der beiden Spreng- stoffe unbedeutend. Alpinit hat eine etwas grössere Handhabungssicherheit, die aber wie die Erfahrung zeigt, nicht sehr ins Gewicht fällt, verbrennt prak- tisch rückstandsfrei und ist weniger toxisch verglichen mit Plastex.

Die vergleichenden Untersuchen der beiden in der Schweiz am häufigsten verwendeten Geschosstypen WG66 und HPz 59 zeigen, dass die resultierenden Zusatzspan- nungen (35-50)% derjenigen einer brisanten lkg-Ladung ergeben. Aufgrund der signifikant besseren Zünderemp- findlichkeit der HPz 59 ist diese der WG66 vorzuzie- hen, da sie eher Gewähr für einen Sprengpunkt nahe der Schneeoberfläche bietet. Die Wirkung der Geschosse kann wesentlich verbessert werden, wenn es geling inbe- zug auf das potentielle Anrissgebiet günstig gelegene Ziele auf schneefreien Felsköpfen etc, an Stellen sehr kleiner Schneehöhe oder an Stellen stark windgepresster Schneeoberfläche zu treffen. Für den Minenwerfer be- steht die zusätzliche Möglichkeit einer Verdopplung des Wirkungsbereichs gegenüber der WG66 durch die Verwen- dung von Wurfminen 8.1 cm Mw. 33 WM (mit Momentanzün- dung) oder allenfalls durch den Einsatz eines 12 cm Minenwerfers.

3. Interpretation der in der Schneedecke gemessenen seismischen Signale

3-1 Bestimmung des Verschiebungsvektors

Die Gleichung des dynamischen Gleichgewichts eines homogenen, elastischen, isotropen Mediums hat die Form:

a

2-X p - -

at2

(1)

wobei p die Dichte, A undµ die Lameschen Elastizitäts- konstanten sind.

mE

(1+m)(1-2m) ' E: Elastizitätsmodul m: Poissonzahl

= ₂ (l+m) ^{E (2)}

- 19 -

9 = div x ist die Dilatation (relative Volumensaus- dehnung).

Die Felder des Verschiebungsvektors x und die äusseren Kräfte Klassen sich als Summen eines Potentialfeld- und eines Wirbelfeldanteiles darstellen:

X = = grad et,+ rot 1jJ ⁽³⁾

K = grad 4> +rot~ ( 4)

Setzt man (3) und (4) in (1) ein, so erhält mange- trennte Gleichungen zur Bestimmung des Potential- und des Vektorpotentialanteils des Verschiebungsfeldes.

a2ct,

-

~ tict, = 4> X = grad et, (5)

at2 p p

a21jJ

~ t,ljJ = ~ xt ⁼ rot 1jJ (6)

at2 - p

Die beiden resultierenden inhomogenen Wellengleichun- gen beschreiben die Ausbreitung reiner Longitudinal- wellen (5) und reiner Transversalwellen (6). Die zuge- hörigen Ausbreitungsgeschwindigkeiten sind:

2 ^;>.. + 2µ E (1-m)

longitudinal: vop ⁼ p ⁼ p (1+m)(1-2m) (7) transversal: 2 _~ E 1

vot ⁼ p ⁼ p 2 (l+m)

vop =

~

vot m

Die Lösung von (5) ergibt sich zu

X p = ¹

[L

^{4> (t- __!'._)}

4 2 2 1 V

IT v₀P r op

+ - - -1

r v0P ^4> ₁

, r]

^{(t- -}_v

^r

^-

0P r (8) wobei

r

der Radiusvektor mit Ursprung im Quellpunkt ist.

3-2

~1 (t) = lim R+O

H(t)dW

w

R sei der Radius des kugelförmigen Quellvolumens W.

j = (9)

ist damit gleich dem vom Quellpunkt (Erreger, Detona- tionsstelle) ausgehenden Stofffluss.

Das Verschiebungsfeld x _{' p} zerfällt in ein Nahfeld ~~

1

und ein Fernfeld ~~

1

(Ableitung von ~1 nach der Zeit).

Setzt man (9) in (8) ein, so erhält man die folgenden Terme filr den Nah- und den Fernbereich:

Nahbereich: fj dt

(10) Fernbereich: xp ^~

r ^j

Sei j ~ 3s -l] ein konstanter Fluss während maximal 10- 3s (entsprechend der Ausdehnungsphase der Spreng- gase bei der Kraterbildung), v₀P ~ 600 ms-¹, so sind die beiden Anteile von xp bereits für Abstände kleiner als 1 m vom Quellpunkt, also bereits in der Kraterzone von gleicher Grössenordnung. Die uns interessierenden Verschiebungen in Abständen s ~ 10 m vom Quellpunkt liegen demnach alle im Fernbereich mit

~

~l (1.zeitliche Ableitung von ~t

1).

Zusammenhang zwischen dem Quelldruckverlauf und der resultierenden Verschiebungsbeschleunigung

(11)

Im Experiment werden einerseits Verschiebungsbeschleu- nigungen bs und damit die Verschiebungsgeschwindigkei- ten vs sowie die Verschiebungen xs des Schneegefüges, anderseits Luftdrücke über der Schneeoberfläche und im Porensystem des Schnees (N-Welle) bestimmt.

3-3

- 21 -

Der Stofffluss der ins Porensystem eindringenden Gase (Detonationsstelle) respektive Luft (N-Welle) ist pro- portional der Schallschnelle vt der Gas- respektive Luftmoleküle. Die gemessenen Luftdrücke sind ebenfalls proportional zur Schallschnelle:

j ^{'\, '\, '\,} (12)

Die resultierende Verschiebung im Schnee xs(t) ist so- mit aufgrund von (11) und (12) proportional dem sie verursachenden Luft- und Gasdruck pt(t). Die direkt gemessene Verschiebungsbeschleunigung bs ist damit proportional der 2.Abteilung von Pt(t) nach der Zeit.

'\, (13)

Sprengpunkt in der Schneedecke

Der durch die Detonation im Quellpunkt verursachte Druckstoss pD(t) oder Fluss j(t) besitzt im allgemei- nen ein sehr breites Frequenzspektrum. Als Näherungen für durch Detonationen verursachte Erregerfunktionen werden die Sprungfunktion, der Rechteckpuls oder der Exponentialpuls verwendet. Die entsprechenden Amplitu- denspektren A(w) sind kontinuierlich und nehmen im we- sentlichen proportional zu w-1 ab. Das den Quellpunkt umgebenden Medium wirkt als Bandpassfilter. Die Durch- lasscharakteristik des Filters ist wesentlich durch die Poissonzahl m, die Filtermittenfrequenz v

0 die Fortpflanzungsgeschwindigkeit v

0t und eine charakte- ristische Länge R bestimmt [2]. Rist eine Funktion der Impulsübertragungslänge der in das Porensystem ein- dringenden Gase, der Kraterdimensionen (und damit der Ladungsgrösse) und der Schneehöhe. Rist somit von der Grössenordnung 1 m.

vo 1 2vot

= 2Il -R- = (30-100) Hz (14)

P.e.

Figur 8

(a)

t

(b)

(a) Im Porensystem des Schnees wirksame Luftdruck- wellen P.e,(t) und (b) die daraus resultierenden Ge- fügebeschleunigungen - sowie die zusätzlich auf das Gefüge übertragenen Eigenschwingungen der Porenluft- säule begrenzt durch Boden und Schneeoberfläche.

3-4

- 23 -

Die Grundfrequenzen der beobachteten, sich vom Spreng- ort durch die Schneedecke ausbreitenden Verschiebungs- wellen sind in Uebereinstimmung mit den nach (14) zu erwartenden Frequenzen. Die Grundfrequenzen erhöhen sich bei Verkleinerung des Ladungsgewichts. Für kleine Ladungsdotationen (~ 0.1 kg) und gute Verdämmung (kein offener Krater) entspricht die Detonation näherungs- weise einer Ausdehnungsquelle und verursacht somit nur primäre Longitudinalwellen (Pi-Wellen). Für grössere Ladungsdotationen, d.h. bei Bildung eines offenen Kra- ters, ist die Quelle als Ueberlagerung einer Ausdeh- nungsquelle und einer senkrecht zur Schneeoberfläche gerichteten Quelle zu betrachten. Solche Quellen ver- ursachen neben primären P1-Wellen auch primäre Trans- versalwellen (s1-Wellen).

Sprengpunkt über dem Schnee

Bei Sprengpunkten über der Schneedecke bildet sich in unmittelbarer Nähe des Sprengsatzes eine Stosswelle, die sich einerseits in der Luft über der Schneedecke ausbreitet (N-Welle), anderseits direkt im Bereich der Sprengstelle auf die Schneedecke einwirkt. Bei Spren- gungen über der Schneedecke (d ~ -1 m) und Ladungsdo- tationen von bis zu einigen kg bilden sich keine ei- gentlichen Sprengkrater mehr. Die Stosswelle w~rkt über das Porensystem des Schnees auf die Schneedecke. Dabei sind ähnliche Filtereigenschaften wie die in Kapitel 3-3 beschrieben wirksam. Zudem können stark gedämpfte Eigenschwingungen im Porensystem des Schnees, begrenzt durch den Boden und die Schneeoberfläche,angeregt wer- den, die sich ebenfalls auf die Schneedecke übertragen.

3-5 Ausbreitung der N-Wellen über der Schneedecke und ihre Wirkung auf die Schneedecke

Die Dämpfung der sich aus der Stosswelle entwickelnden N-Welle bei ihrer Ausbreitung über der Schneedecke ist in [1, Kap.10-2] gegeben. Messungen weisen darauf hin,

Figur 9

Schneeoberfläche

Ausbreitung der primären, sphärischen P 1-, s

1-Wellen.

Bildung der (P1s1 )-Wellen an der Schneeoberfläche.

++ Verschiebungsrichtung, + Fortpflanzungsrichtung

SCHNEE MEDIUM

· 0

OUELLPUNKT.

Figur 10 Bildung der konischen P

121 Refraktionswellen.

P1 primäre Longitudinalwelle, P11 am Boden reflek- tierte Longitudinalwelle, P12 sich im Boden a~sbrei- tende gebrochene Longitudinalwelle.

3-6

- 25 -

dass die Dämpfung der sich parallel zur Schneeoberflä- che ausbreitenden N-Welle signifikant grösser ist ver- glichen mit der Attenuation der sich in dem übrigen, von der Schneedecke wegführenden Raumwinkel, ausbrei- tenden Druckwellen. Die N-förmige Luftdruckwelle wirkt über das Porensystem des Schnees auf die Schneedecke.

Nach (13) ist die resultierende Verschiebungsbeschleu- nigung bs der 2. zeitlichen Ableitung des Luftdruck- verlaufs Pi im Porensystem proportional (vgl. Fig.8).

Zusätzlich können in der Porenluftsäule begrenzt durch Boden und Schneeoberfläche gedämpfte Eigenschwingungen angeregt werden, die sich ebenfalls auf die Schneedek- ke übertragen. Die Länge der Ueberdruck- und der Un- terdruckphasen der Wellen vergrössern sich mit zuneh- mendem Abstand von der Sprengstelle, sie betragen (1-5)10- 2s. Da sich die Schallwellen im Frequenzbereich bis ca. 500 Hz in den Porenröhren des Schnees isotherm fortpflanzen, und da die mittlere Laufstrecke Schnee- oberfläche-Boden im Porensystem gegenüber der Schnee- höhe hs vergrössert ist, ergeben sich für hs ~ 1,5 m Eigenfrequenzen (Grundschwingung) von ca. 30 Hz. Diese Eigenfrequenz stimmt ungefähr mit den Grundfrequenzen der N-Wellen überein und kann daher angeregt werden.

Ausbreitung der Verschiebungswellen in der Schneedecke Detonationen in der Schneedecke erzeugen näherungswei- se sphärische P

1-Wellen und je nach Sprengpunktlage zusätzlich s₁-Wellen, die sich parallel zur Schneeober- fläche in der Schneedecke fortpflanzen. Die sich aus- breitende P1-Wellen verursacht an der freien Schnee- oberfläche zusätzlich (P

1s₁)-Wellen und unter Mitwir- kung des Bodens sogenannte konische Kopfwellen (Fig.9, 10). Zusätzlich treten Oberflächenwellen auf. Die P

1- Wellen verursachen im Wesentlichen Verschiebungen in radialer (oberflächerparaller) Richtung, die s₁-Wellen Verschiebungen senkrecht zur Schneedecke. Für Spren- gungen mit kleinen Ladungen in der Schneedecke konnten

die Fronten der P1- und der s1-Wellen und damit v0P und v

0t bestimmt werden.

vop = 600 ms -1

V op -1

= 3 m = 0,44 vot

Der Verschiebungsvektor der (P 1s

1)-Welle ist um ca. 20°

zur Schneeoberfläche geneigt und somit im Wesentlichen dem P

1-Verschiebungsvektor überlagert. Die Refraktions- welle, die näherungsweise gleichzeitig mit der eben- falls registrierten seismischen Welle im Boden an den Messstellen eintrifft, verursacht Verschiebungen unter ca. 50° zur Bodenoberfläche. Die Refraktionswelle ent- spricht dem zeitlichen Integral der sie erzeugenden P12 respektive P

12s₂-Wellen im Boden. Die Refraktions- welle ist der P1- und der s₁-Welle zu ungefähr gleichen Teilen überlagert, trifft aber deutlich vor der s

1-Welle an der Messstelle ein (v (P

1) = 600 ms- 1 , v (s 1) =

-1 0 -1 0

200 ms , v

0(P

12) = (600-1000)ms ). Die zusätzlich auftretenden Oberflächenwellen interferieren ebenfalls mit den P

1 und s₁ Verschiebungen. Die durch Oberflächen- wellen verursachten Verschiebungen verlaufen auf ellip- tischen Bahnen senkrecht zur Schneeoberfläche. Ihre Ver- schiebungsamplituden verkleinern sich mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche exponentiell. Für die Aus- breitungsgeschwindigkeit v

0r der Oberflächenwelle gilt für eine Poissonzahl von 0.44:

V or

V op

0.95

Die oberflächensenkrechte Verschiebungskomponente bleibt über die ganze Schneehöhe ungefähr konstant, während die Radialkomponente in einer Tiefe von 1,5 m

(entspricht im Mittel der Totalschneehöhe) eine Null- stelle aufweist. Das Verhältnis der oberflächensenk- rechten ~ zur Radialkomponente beträgt an der Schnee- oberfläche= 1,7.

Figur 11

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N-WELLE ... VOL

KRÄFTE AUF DIE SCHNEEDECKE

SCHNEEDECKE MIT RESULTIERENDER DEFORMATION

Figur 12 Schematische Darstellung der durch die N-Welle auf die Schneedecke ausgeübten Kräfte und der resultierenden Deformationen

3-7

- 29 -

Die rein geometrischen Attenuationen der verschiedenen Wellentypen unterscheiden sich signifikant. Theoretisch ergibt sich für die Amplitude der Oberflächenwelle die kleinste Attenuation ~s-o,5 und für die Refraktions- wellen die grösste Amplitudenabnahme ~s-2

. Zusätzlich sind materialbedingte meist frequenzabhängige Dämpfun- gen wirksam [1].

Die registrierten oberflächenparallelen und oberflä- chensenkrechten Verschiebungsbeschleunigungen sind In- terferenzsignale der verschiedenen auftretenden Wellen- typen. In diesem Bericht wurden nur die wichtigsten Wellentypen beschrieben, zusätzlich sind noch eine grosse Anzahl Reflexionswellen möglich, deren Inten- sitäten aufgrund der vielen Reflexionen sehr schnell abnehmen. Bei Sprengungen mit grösseren Ladungsdota- tionen oder bei Sprengpunkten über der Schneedecke überlagern sich zudem die in Kapitel 3-5 beschriebenen durch die Luftdruck-N-Welle verursachten Verschiebun- gen. Ein einigermassen interpretierbares Messbeispiel ohne N-Wellen Wirkung ist in Fig.11 gegeben.

Abschätzung der resultierenden Zusatzkräfte auf das Schneegefüge

In [1] ist der Zusammenhang zwischen den in der Schnee- decke auftretenden Verschiebungsgeschwindigkeiten vs, den Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeiten vos' der mittleren Dichte p und den resultierenden Zusatzspan- nungen o hergeleitet.

0 = (15)

Im folgenden sollen nun die Zusatzkräfte, verursacht durch die sich mit Schallgeschwindigkeiten über der Schneedecke ausbreitenden N-förmigen Luftdruckwellen aufgrund verschiedener einfacher Modellvorstellungen abgeschätzt werden (Fig.12).

3-7-1 Erzwungene Schwingung der Schneedecke

Die effektive Ausbreitungsgeschwindigkeit votP einer Schallwelle durch das Porensystem des Schnees senk- recht zur Schneedecke beträgt ~213 der Schallgeschwin- digkeit v

0t in Luft (vgl. Kap.3-5). Filr die resutlie- rende Spannungskomponente senkrecht zur Schneeoberflä- che gilt

c E e:.J..

c : Konstante gegeben durch die Art des Spannungszustandes (Querzahlabhängig) E Elastizitätsmodul

e: Dehnung

(16)

Filr eine dreieckförmige Zeitabhängigkeit der Verschie- bungsgeschwindigkeit (Näherung filr die N-Welle) folgt filr eine Stosslänge T

0 und eine maximale Verschiebungs- geschwindigkeit vsm

= 0.5 1

vsm To hs (17a)

hs Schneehöhe

oder filr eine im Porensystem angeregte Eigenschwingung (Grundschwingung)

2v sm

7T votP (17b)

Bei Annahme eines linearen Spannungszustandes ergibt sich filr m- 1

=

^{0.44 c}

=

3.2. Durch vektorielle Addi- tion der 3 Hauptspannungen erhält man filr die maximal wirksame Totalspannung amax

1.5

a = 19.6 p V vsm (erzwungene Schwingung)

max OS

(18)

'

8.9 (Eigenschwingung)

a max = p vos vsm

mit =

- 31 -

600 ms- 1 200 ms- 1 3-7-2 Reine Schubverformung

Unter Annahme reiner Schubbeanspruchung (vgl. Fig.12) folgt:

a max = 2(1+m) E mit v₀₁ = 300 ms -1

(19)

Durch die Annahme eines reinen Schubspannungszustandes werden die resultierenden maximalen Zusatzspannungen sicher unterschätzt.

3-7-3 Beidseitig eingespannter Balken mit dreieckförmiger Lastverteilung

3-8

Betrachtet man den durch die N-Welle belasteten Teil der Schneedecke als beidseitig eingespannten Balken mit dreieckförmiger Lastverteilung (Fig.12), so er- hält man filr die maximal wirksamen Zusatzspannungen:

0max

0.5 vsm

= 19 ·

Schlussfolgerung

(20)

Die einfachen Abschätzungen der durch N-Wellen verur- sachten maximalen Zusatzspannungen zeigen, dass inner- halb der Messfehler und der daraus folgenden einzuset- zenden Sicherheitsfaktoren [1, Kap. 11-4] die Formel

a =

die in der Schneedecke auftretenden Zusatzspannungen filr alle Wellentypen genilgend gut beschreibt.

4 4-1

Registrierung von Perioden kleiner Stabilität

Grundlagen

Messungen weisen darauf hin, dass in den Spannungszo- nen innerhalb potentieller Lawinenanrissgebiete bei Erhöhung der Spannungen, respektive Verkleinerung der natürlichen Stabilität gehäuft ruckartige Bewegungen von Teilen der Schneedecke auftreten. Dieses Phänomen ermöglicht die Messung der Stabilitätsentwicklung in potentiellen Lawinenanrissgebieten als Funktion der Witterungseinflüsse, künstlicher Zusatzspannungen

(Sprengung, Skifahrer, etc.) sowie der Hangexposition.

4-2 Messmethode

Die auftretenden Beschleunigungen werden durch in die Schneedecke eingebaute Beschleuni~un~saufnehmer regi- striert. Die Aufnehmer bestehen aus in Polyurethan- schaumzylindern eingeschäumten piezoelektrischen Wand- lern. Die mittlere Dichte der Aufnehmer entspricht mit (150-200) kg m- 3 derjenigen des sie umgebenden Schnees.

(Vgl.

[1],

Kap.7). Die Aufnehmer werden in den Span- nungszonen unmittelbar ausserhalb des vermutlich ab- gleitenden Schneevolumens, entweder oberhalb der Zug- bruchzone, oder unterhalb der Gleitschicht oder aber in repräsentativen Spannungszonen, aus denen aus topo- graphischen Gründen keine Lawinenabgänge zu erwarten sind, eingebaut. Die Ladungssignale der piezoelektri- schen Aufnehmer werden mittels nur wenige Meter von den Aufnehmern entfernten Ladungsverstärkern in ein Span- nungssignal umgewandelt und über 150 m lange Mess- und Speiseleitungen der zentralen Auswerte- und Registrier- elektronik (4 Kanäle) in der Messkabine zugeführt. Die Messelektronik besteht je Kanal aus einem Bandpassfil- ter, einem Verstärker, einem Schwellenwertdiskriminator und einem Zähler sowie einem Messintervallgeber und ei- nem Drucker (Fig.13). Die Speisung der Elektronik er-

- 33 -

Beschleunigungs-

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Figur 13

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Messkabine

Blockschaltbild eines Messkanals zur Registrierung von Beschleunigungsereignissen

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typen 4367 (2 pC/ms ) und 4338 (10 pC/ms ) inklusive Vorverstärker LDG2. Die Messungen wur- den mit in der Schneedecke eingebauten Aufneh- mern und Vorverstärkern durchgeführt. Entspre- chende Labormessungen konnten nicht durchgeführt werden, da keine genügend erschütterungsfreie Auflage für die Aufnehmer gefunden werden konnte.

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4-3

- 35 -

folgt ab Batterien. Die maximale Standzeit beträgt 7 Tage, danach müssen die Batterien mittels des in der Messkabine eingebauten Generators neu aufgeladen wer- den.

Spezifikationen der Messkanäle

Es wurden 2 verschiedene piezoelektrische Wandler so- wie 3 grundsätzlich verschiedene Vorverstärkertypen getestet. Die verwendeten Aufnehmer sind: Brüel+

Kjaer Typ 4367 (2pC m- 1s 2 ) und Typ 4338 (10pC m- 1s 2 ).

Folgende Ladungsverstärker wurden eingesetzt: LDG2:

einfacher Ladungsverstärker, Bandbreite 5 Hz+> 10 KHz, Sens. 50 mV/pC, LDG 3/A: Ladungsverstärker mit Integra- tor, Bandpassfilter und Schwellenwertdiskriminator, LDG3/B wie LDG3/A aber ohne Integration. Der Typ LDG3/A diskriminiert alle Signale, die kleiner als eine

Schwellenverschiebungsgeschwindigkeit sind, während die beiden anderen Typen Signale grösser als eine Schwel- lenbeschleunigung zur Registrierung weiterleiten. Ruck- artige Bewegungen mit kurzen Beschleunigungsphasen er- geben eine kleinere Verschiebungsgeschwindigkeit ver- glichen mit Bewegungen mit langen Beschleunigungspha- sen bei gleichen Beschleunigungsamplituden. Bewegungen mit kurzen Beschleunigungsphasen werden demnach bei Verwendung des Typs LDG3/A stark diskriminiert. Da an- derseits das niederfrequente Rauschen der Ladungsver- stärker inklusive Aufnehmer (Fig.14) verhältnismässig gross ist und damit ein geschwindigkeitsproportionaler Schwellendiskriminator bei tiefer unterer Grenzfrequenz zur Unterdrückung der Rauschsignale relativ hoch ge- setzt werden muss, ergibt sich eine schlechte Empfind- lichkeit für diese Anordnung. Beide LDG3 Typen haben den zusätzlichen Nachteil, dass der Schwellendiskrimi- nator, die Bandbreite sowie die Totzeit nicht ohne grossen Aufwand (Ausschaufeln der Verstärker) neu ein- reguliert werden können. Die Verwendung einfacher Ana- logverstärker im Gelände im Kombination mit Bandpass-

Figur 15 Stabilitätsindexmessungen.

Oben: Ereigniszählräte als Funktion der Zeit.

Unten: Temperaturmaxima (2), Tempera- turminima (3), Windweg w (4), Global- strahlung Q (8) gemessen auf Weiss- fluhjoch, Neuschneehöhe hn (0), Ein- sinktiefe s (1) gemessen im Versuchs- feld EISLF. Die Stundenskala auf der Zeitachse entspricht der Uhrzeit, der Tageszähler zählt fortlaufend. Zur Verbesserung der Uebersicht wurde die

Zeitauflösung der Zählraten der Perio- de vom 18. - 23.5.1977 durch Faltung mit einer Normalverteilung künstlich verschlechtert. Die entsprechenden Daten sind unterhalb der Zeitachse eingetragen. Die entsprechenden La- winenbeobachtungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

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