Подземная гидросфера

ВРАГ И РАЗРУШИТЕЛЬ

Подземные воды?! Да, они. Они не только один из источников благосостояния человечества и комплексное полезное ископаемое, но порой также коварный враг, вызывающий разрушения. Тогда приходится бороться с подземными водами. Борьба в отдельных случаях ведется трудная и упорная, требует значительных материальных затрат.

О подземных водах, ставших врагом и разрушителем, можно говорить много, поскольку в такой роли они выступают довольно часто: при проведении горных работ, в гидротехническом, дорожном и других видах строительства, активизации физико-геологических процессов. Ограничимся рассмотрением отрицательного влияния, при устранении которого требуются специальные мероприятия по борьбе с подземными водами.

Наиболее трудна борьба на месторождениях полезных ископаемых, если они представлены сильно обводненными породами (карстовыми, мощными толщами рыхлых отложений, зонами тектонических нарушений). Тогда для отработки необходимы дорогостоящий водоотлив или особые способы осушения месторождений. К последним относятся цементация, водопонижение, замораживание. Освоение сильно обводненных месторождений приходится откладывать на будущее. Так было, например, с железорудными месторождениями Курской магнитной аномалии, которые открыли еще в первые годы Советской власти, но из-за сложности гидрогеологических условий стали разрабатывать только в 50-х годах, когда появились надлежащие водопонизительные установки. Некоторые месторождения в связи с ростом стоимости водоотлива перестают быть рентабельными. Такая судьба постигла угольные месторождения Кизеловского бассейна на Урале и Слюдянское месторождение флогопита в Прибайкалье.

Прорывы подземных вод к эксплуатационным горным выработкам выводят из строя горные предприятия и вызывают угрозу для жизни людей. На откачку затопленных выработок тратятся обычно большие средства и много времени. Так, осушение шахт Донбасса, затопленных фашистскими оккупантами во время Великой Отечественной войны, длилось около трех лет и обошлось нашему государству в несколько сот миллионов рублей. Опасны внезапные прорывы подземных вод. От них стараются уберечь горные выработки путем бурения опережающих забой скважин. Однако это не всегда удается — известны случаи, когда проникающая с передовых штреков или шахт вода заполняла все отработанное пространство.

Самыми обводненными считаются месторождения в условиях карста. Из карстовых полостей в горные выработки низвергаются потоки воды, на отдельных месторождениях они в сумме составляют 10–20 тысяч кубических метров в час (3–5 кубических метров в секунду). Их осушение сочетает улавливание поверхностного стока, опережающее водопонижение и так далее. Именно на них чаще всего происходят аварийные прорывы, приводящие к затоплению рудников. Водоотлив удорожает стоимость полезного ископаемого, так как на каждую его тонну требуется откачать несколько сот кубометров воды.

Сильно обводнены также месторождения в рыхлых отложениях. Когда-то мне приходилось изучать гидрогеологию печально известных Ленских приисков. Благодаря значительным уклонам речных долин аллювиальные россыпи здесь дренируются весьма оригинально — штольнями свободного водослива, которые проходятся под плотиком в коренных породах. Отсюда название дренажей — «бедрок» («выработка в породах основания» по-английски) или «вассерштрек» («водяной штрек» по-немецки). Устья таких выработок выводят целые реки и имеют расход до 1–3 кубических метров воды в секунду.

Таким образом, из рудников, шахт и карьеров откачивается громадное количество воды. В наше время горнодобывающие предприятия неимоверно расширяют фронт горных работ, проникают на глубины более одного километра и дренируют очень большие пространства. Если в СССР в 50-х годах ежегодная добыча составляла 2 миллиарда тонн минерального сырья, то в конце 70-х годов — уже 14 миллиардов тонн. Соответственно возрос и водоотлив: на каждую тонну полезного ископаемого приходится в среднем 1–10 кубометров откачиваемой воды, а на никоторых месторождениях и гораздо больше.

Коварство подземных вод — иначе это не назовешь — обнаруживается на соляных месторождениях. Проникновения воды к горным выработкам, за исключением разве что пересыщенных рассолов из запечатанных полостей, тут вообще нельзя допускать, поскольку она легко расширяет трещины в соляном теле, что облегчает связь с поверхностью и в конечном итоге вызывает гибель солерудников. Отработка месторождений должна проводиться таким образом, чтобы горные выработки находились в солях, не затронутых современным карстом (см. рис. 13). Тогда горные выработки существуют десятилетиями в совершенно сухом состоянии (например, Артемовское месторождение на Украине). К сожалению, известно немало случаев прорыва воды к солерудникам. На территории ГДР и ФРГ некоторые шахты были затоплены в течение нескольких суток и даже часов. Статистика здесь ужасна: из 255 солерудников в первой половине XX века 88, то есть 1/3, погибли в результате проникновения подземных вод.

Не берусь судить, что имел в виду А. С. Пушкин, когда создавал строки, приведенные в эпиграфе к этой главе. Его двустишие оказалось пророческим.

Горы и раздвигаются туннелями. Такими, как Северо-Муйский, прокладываемый на БАМе и имеющий длину более 15 километров. Это самый протяженный транспортный туннель в СССР. И самый трудный (о чем мы уже упоминали) в гидрогеологическом отношении, ибо основной враг строителей здесь — вода. Ее не только много (в среднем с каждого километра проходки часовой водоприток достигает 1000 кубометров, то есть 0,3 кубических метра в секунду); главное, прорывы возникают неожиданно, порой застают проходчиков врасплох. Подобные аварии случались при прокладке в довоенное время московского метро и показаны даже в художественных кинолентах (вспомним хотя бы «Добровольцев»).

Создает человек и «дерзостные своды», прокладываемые под водой. Вот хотя бы туннель Сейкан, который сооружается с 1971 года в Японии между островами Хонсю и Хоккайдо. Его длина около 54 километров. И тут вода сильно мешала строителям. Одно время, когда в выработки прорвалась морская вода, хотели даже отказаться от этого грандиозного проекта. Но научная мысль и инженерный опыт нашли выход: с помощью силикатизации доступ воды был ликвидирован.

Разрушительная деятельность подземных вод проявляется в просадке зданий и дорожного полотна. Фильтрационные токи под основанием или в «плечах» плотин снижают прочность таких гидротехнических сооружений: некоторые плотины рухнули именно по этой причине. Опасно не только механическое разрушение, но и корродирующее (а попросту — разъедающее) воздействие подземных вод на бетонные и железобетонные фундаменты сооружений.

От режима подземных вод зависит активность оползней, которые доставляют много хлопот, скажем, на берегах Волги и Днепра, Черноморском побережье Крыма. Чем интенсивнее питание подземных вод и чем больше их поступает на поверхность скольжения, тем энергичнее протекает оползневой процесс. Аналогичным образом возникают и обвалы.

Серьезные трудности строителям доставляют подземные воды в области распространения многолетнемерзлых пород. Тут они настоящий бич; при замерзании грунт расширяется, а при оттаивании приходит в плывунное состояние. Отсюда пучения и просадки, так называемый термокарст и солифлюкция (течение грунта при избыточном водонасыщении). Коварством, о котором так много говорят и которое так затрудняет строительство, «вечная» мерзлота обязана главным образом подземным водам.

Специфические образования криолитозоиы — наледи. Они возникают там, где к поверхности пробиваются подземные воды. Порой неожиданно, если инженерные сооружения (дороги, здания и так далее) изменяют пути движения подземных вод. В городах Бодайбо или Мирном они появляются, например, посреди улиц, а на БАМе — обычно вдоль дорожного полотна (рис. 19). Если продолжается рост наледей, полотно разрушается. Иногда наледи дают о себе знать прямо в домах, поскольку из-за нарушения мерзлотно-гидрогеологического режима подземные воды стремятся излиться в наиболее протаявшем месте, а это чаще всего именно погреба домов. Примеры подобных курьезов можно продолжить: наледи, неожиданно возникшей на полотне одной из железнодорожных станций Дальнего Востока, потребовался всего один час, чтобы приморозить к рельсам колеса стоявшего паровоза. Однако дело не в курьезах: наледеобразование осложняет и удорожает строительство.

Рис. 19. Типовая схема образования наледей на западном участке БАМа (от Усть-Кута до Тагоры).

1 — наледь; 2 — выход подземных вод; з — уровень подземных вод; 4 — слой почвы и рыхлых отложений; 5 — водоносный горизонт; 6 — водоупорные породы.

Чтобы не было разрушительных и прочих нежелательных проявлений подземных вод, требуется хорошее знание конкретной гидрогеологической обстановки. Опираясь на закономерности формирования и распространения подземных вод, гидрогеологи в состоянии прогнозировать и величину водопритоков к горным выработкам, и возможные деформации сооружений, и наледеобразование. Они дают заключения о природе этих процессов, чтобы проектировщики их предвидели. Грамотное использование рекомендаций позволяет строителям успешно с ними бороться. Аварийные ситуации, как правило, возникают только тогда, когда должным образом не изучена гидрогеологическая ситуация или когда строители по разным причинам отказываются выполнять рекомендации гидрогеологов.

Итак, действовать надо в соответствии с пословицей: «Не зная броду, не лезь в воду». Применительно к горному делу или к любому виду строительства это означает, что сначала следует выяснить гидрогеологическую обстановку и только потом проектировать те или иные сооружения.