Тонущие города

НАВОДНЕНИЯ

Наряду с необратимым затоплением многих прибрежных городов постоянно и повсеместно происходят набеги воды на сушу — наводнения. Они бывают на берегах морей, рек и озер, случаются и вдали от берегов, в горах и на равнинах, в тропиках и в Заполярье. Разнообразны их проявления, многочисленны причины, их порождающие.

Память человечества хранит предания о многих катастрофических наводнениях. Наиболее известное из них — библейский «всемирный» потоп, когда «разверзлись все источники великой бездны, и окна небесные отворились; и лился на землю дождь сорок дней и сорок ночей. И продолжалось на земле наводнение сорок, дней, и умножилась вода… И усилилась вода на земле чрезвычайно, так что покрылись все высокие горы, какие есть под всем небом. На пятнадцать локтей поднялась над ними вода, и покрылись горы… Все, что имело дыхание духа жизни в ноздрях своих на суше, умерло. Вода же усиливалась на земле сто пятьдесят дней… И закрылись источники бездны и окна небесные, и перестал дождь с неба. Вода же постепенно возвращалась с земли, и стала убывать вода по окончании ста пятидесяти дней». Этот потоп представлял, по-видимому, большое наводнение, которое произошло в долине рек Тигр и Евфрат около 5 тыс. лет назад. Геологи считают, что оно охватывало территорию, простиравшуюся полосой (ширина 160 км) на 630 км к северу от Персидского залива.

Подобные «всемирные» потопы описаны и в китайской мифологии, и в мифологии майя, и в шумерском, и в аккадском, и в древне-иранском эпосах. Это — древность. Но и сегодня набеги воды на сушу не редкость (рис.52–55). Просмотрите газеты за последний месяц, обязательно найдете сообщение о двух-трех наводнениях.

Например, лето 1977 г. принесло большие наводнения в разных районах мира. В середине июля на центральную и северную Испанию обрушился ливень, равного которому страна не видела полстолетия. В провинциях Бискайя и Гипускуа вышедшие из берегов реки затопили целые районы. В начале июля проливные дожди прошли в юго-западных районах Франции, вызвав наводнения в районе Тулузы и департаментов Жер, Ло и Гаронна. Нанесен большой материальный ущерб, есть человеческие жертвы. В эти же дни сильное наводнение поразило столицу Южной Кореи — Сеул. Ураган и ливни в течение более суток переполнили протекающую через город р. Хан. Потоки воды разрушили жилища, лишив крова 80 тыс. человек, снесли мосты, линии элетропередач, нарушили связь, дороги. Ущерб оценивается в 10 млн. долларов, есть жертвы. В Пакистане в эти же июльские дни волна проливных муссонных дождей вторично за десять дней обрушилась на г. Карачи. За сутки выпало 127 мм осадков. Наводнение разрушило мосты, прервав автодорожное сообщение. Это далеко не полный перечень наводнений только за один месяц.

По данным ООН, за 10 лет (1976–1985 гг.) от наводнений пострадало во всем мире более 150 млн. человек.

Наводнение — понятие относительное. Уровень воды в морях и реках периодически колеблется. В морях и океанах — это приливы и отливы, в реках — паводки и половодья, сменяющиеся меженью. При периодических подъемах уровня воды затапливаются определенные территории суши у морских берегов, поймы в речных долинах. Наводнения ли это? Нет, никто так не считает. Под наводнениями обычно понимают непредвиденные заранее, приносящие ущерб затопления территорий. Связаны они с непериодическими колебаниями уровня воды в морях, реках и других водоемах, с необычно большим выпадением осадков, быстрым таянием снега и льда, с рядом других естественных, а иногда и искусственно вызванных человеком явлений.

На берегах океанов и морей, а иногда и озер наводнения чаще всего обусловлены динамическими процессами в атмосфере — циклонами, ураганами, штормовыми ветрами. По принятой в гидрологии классификации такие наводнения относят за счет анемобарических (т.е. вызванных движением воздушных масс и изменениями атмосферного давления) непериодических колебаний уровня водоема. Прибрежные районы оказываются в опасном положении, когда образующийся над морем циклон с пониженным атмосферным давлением в его центре поднимает уровень воды и этот «водяной горб» начинает затем растекаться, образуя длинную волну. По мере приближения к берегу, с уменьшением глубины, высота волны возрастает. Дрейфовые, разогнанные ветром течения подгоняют к берегу большие массы воды, короткие штормовые волны обрушиваются на берег и гонят на сушу поток, не успевающей оттекать обратно в море и поднимающий уровень воды у берега. Так происходят штормовые нагоны, на счету которых множество катастрофических наводнений. На берегах Бенгальского залива в 1864 и 1876 гг. от штормовых наводнений погибло около 250 тыс. человек, на Мартинике и Санта-Лючии (между Атлантикой и Карибским морем) в 1870 г. —.15 тыс.человек. В 1900 г. ураган обрушился на г. Галвестон в Техасе, подняв уровень Мексиканского залива на 5 м выше прилива и разогнав штормовые волны 8-метровой высоты. Город был стерт, погибли 5 тыс. человек. Штормовой нагон на оз. Окичоби (Флорида) привел к гибели 2 тыс. человек. Тайфун «Вера» в 1956 г. утопил в Японии 5 тыс. человек и еще 600 тыс. лишил крова. Список таких катастрофических наводнений, к сожалению, велик.

Метеорологи ведут наблюдения за ураганами, изучают их структуру, динамику развития. Для этого используют спутники, авиацию. Наблюдения с помощью спутников дают широкомасштабную общую картину движения циклонов, а самолеты-лаборатории позволяют исследовать физические их характеристики. Советско-кубинская экспедиция в 1987 г. на самолете АН-12 впервые проникла в центр тропического урагана «Эмили», но настигла его при распаде, когда ураган превращался в шторм. В 1988 г. этот самолет-лаборатория 11 раз проникал в «глаз» суперурагана «Джильберт». Этот «ураган века» с ветрами скоростью свыше 370 километров в час прошел над странами Центральной Америки и Карибского бассейна — Мексикой, Гватемалой, Ямайкой, Доминиканской республикой, Гаити, Венесуэлой, оставив за собой разрушения и человеческие жертвы. Сверху же, с самолета открывалось зрелище неправдоподобной красоты: огромная, радиусом в 20 км воронка белых облаков под ослепительно голубым небом.

Спустившись до минимально возможной высоты, исследователи увидели внизу странные, ни на что не похожие облачные волны, которые, сталкиваясь, сходились к центру урагана. Экспедиция получила большой объем информации и показала, что и в зоне урагана можно нормально работать. Фактические сведения об ураганах составляют основу математических моделей, которые позволяют прогнозировать развитие циклонов, предсказывать направления их движения, предупреждать об опасности.

Способен ли человек противостоять штормовым наводнениям на открытых берегах морей и океанов?

Атмосферные процессы, порождающие эти катастрофические наводнения, обладают колоссальной энергией. Один ураган соизмерим или даже может превышать все современные энергетические возможности человечества. И тем не менее борьба с этой стихией возможна. Воздействия на атмосферу основаны на управлении неустойчивыми процессами, течение которых может быть изменено с малыми энергетическими или материальными затратами.

С 50-х годов, например, проводятся работы по распылению в облаках и вихрях мельчайших кристаллов йодистого серебра. Это опыление вызывает конденсацию влаги, распад облаков и другие изменения атмосферных процессов. На Кавказе этим методом пользуется противоградовая служба, предотвращающая большую часть ущерба, причинявшегося ранее градом сельскому хозяйству. В США предпринимали попытки использования этого метода для борьбы с тропическими ураганами. Эксперименты, проводившиеся в течение 8 лет, показали, что можно заметно уменьшить скорость ураганов, изменить их траекторию. Есть еще ряд возможностей активного воздействия на динамику атмосферных процессов.

Однако воздействия на атмосферные процессы пока дают не только ожидаемые результаты, но и нежелательные косвенные последствия. Эксперименты над ураганами оказали ощутимое влияние на климат больших территорий, вызвав засухи в одних местах и наводнения в других. Ураган «Агнес» в июне 1972 г. был засеян йодистым серебром, после чего буря утихла. Но на приморских равнинах от Флориды до Нью-Йорка прошли сильные дожди, вызвавшие наводнения со значительным ущербом.

Как во многих случаях воздействия на природу и, может быть, в наибольшей степени при воздействии на атмосферу, требуется тщательный и всесторонний учет всех возможных последствий. Управление атмосферными процессами обещает человечеству огромную выгоду, но при неосторожном использовании может грозить опасными последствиями.

Характерные условия нагонных наводнений возникают вблизи устьев рек. Штормовой нагон «запирает» сток реки и подъем уровня воды происходит за счет совместного действия этих факторов. Известный пример таких нагонов — наводнения в Ленинграде. Затопления в нем происходят ежегодно, иногда по несколько раз в год, начиная от времени основания города и по сей день. Высота подъема воды и площадь затопления различны. Подъемы воды выше 1,5 м над ординаром (ординар — средний, примерно за 100 лет, уровень у пристани возле Горного института) зарегистрированы около 230 раз начиная с 1703 г. Первое катастрофическое наводнение — 3,1 м над ординаром — произошло 10 сентября 1777 г., а самое крупное наводнение — 3,89 м над ординаром — 7 ноября 1824 г., когда невские воды покрыли две трети территории города. Описание этого наводнения с достаточно ясным указанием причин и следствий дает А.С. Пушкин в «Медном всаднике»:

Это наводнение смыло 324 дома, серьезно повредило 3257 домов (а в ту пору на Невском проспекте стояло всего 100 домов), погибли 208 человек (по другим источникам — погибли 569 человек), 3600 голов скота.

Через 100 лет, 23 сентября 1924 г. подобное наводнение повторилось — 3,69 м над ординаром. Было затоплено несколько районов — около 70 км² территории города, пострадали порт, ряд заводов и фабрик, снесено несколько мостов. Наводнения приносят большой ущерб городу: в 1955 г. — 403,5 млн. руб., в 1975 г. — 366 млн. руб., а в среднем по 90,5 млн. руб. ежегодно.

Еще Петр I пытался противодействовать наводнениям, приказав рыть на Васильевском острове каналы-отводы, по которым во время нагона воде было бы куда деваться.

Это намерение не было доведено до завершения.

После наводнения 1777 г. Екатерина II, по заключению «знатоков», сделала выговор начальнику городской полиции за то, что «суда стояли столь неправильно, что они помешали невской воде выйти в море». Такое вот было «научное» обоснование.

Через год после наводнения, описанного в «Медном всаднике», был объявлен всероссийский конкурс на проект защиты Петербурга от наводнений. В 1835 г. профессор П.П. Базен, директор Петербургского института путей сообщения, основываясь на действительно научных представлениях о причинах нагонных наводнений, предложил проект защиты города: пересечь Финский залив дамбами длиной около 20 км от Ораниенбаума (ныне Ломоносов) через Кронштадт к Лисьему Носу на северном берегу, с устройством шлюза. Этот проект положен в основу и современного плана защиты, вошедшего в генеральный план развития Ленинграда.

В 1978 г. был утвержден проект, представленный Ленинградским отделением института Гидропроект им. С.Я. Жука, а в 1979 г. принято постановление Совета Министров о строительстве сооружений защиты, завершить которые намечено в 1990 г. Этот сложный комплекс сооружений (рис.56) длиной более 25 км включает 11 каменно-земляных дамб, 2 судопропускных сооружения шириной 110 и 200 м, 6 водопропускных отверстий с 64 затворами шириной по 24 м. Максимальный расчетный подъем уровня воды — 5,4 м. По гребню сооружений через Финский залив пройдет шестиполосная автомагистраль — часть скоростной кольцевой дороги, проектируемой вокруг Ленинграда. Под судоходными каналами прокладываются туннели, над водопропускными пролетами возводятся мосты.

Проект имеет обоснование, в котором принимали участие ученые и инженеры 52 исследовательских и проектных организаций. Во ВНИИ гидротехники им. Б.Е. Веденеева в 1984 г. построена не имеющая себе равных по размерам гидравлическая модель Невской губы.

В ходе строительства защитных сооружений стала, однако, ухудшаться экологическая обстановка. В 1986–1988 гг. в печати начали публиковаться выступления чуть ли не об «экологической катастрофе», о том, что в результате уменьшения водообмена Невская губа может превратиться в гниющее болото. Первые признаки этого уже появились в виде застойных зон с обилием сине-зеленых водорослей. Специалисты объясняли это тем, что строители не выполняли всех требований проекта. В 1984 г. был открыт сухопутный проезд от северного берега залива на остров Котлин, что улучшило условия для продолжения строительства. Требование же по расчистке строившихся водопропускных отверстий не было выполнено. В результате — образование застойной зоны. Кроме того, строительство гидротехнического комплекса ведется с опережением предусмотренного создания водоочистных сооружений во всем бассейне Невы и Ладожского озера. Ухудшение экологической обстановки рассматривалось поэтому как временное явление.

Отвечая корреспонденту Литературной газеты, главный инженер проекта С.А. Агалаков растопыренными пальцами уперся в стол: «Вот дамба. Это же гребешок. Вода свободно циркулирует в проемах». И хотя общее сечение проемов в полтора раза больше площади рукавов дельты Невы, дамба отнюдь не гребешок. Двухсотметровые отверстия сменяются километровыми глухими плотинами.

Обеспокоенная общественность не принимает на веру доводы специалистов. Вот, например, высказывание писателя Б. Можаева в Литературной газете (1988 г.): «А сколько нелепостей встречаешь при решении технических проблем! Как, скажите, мог прийти в голову проект чудовищной ленинградской дамбы? Недавно был в Голландии, одна треть территории которой отвоевана у моря и находится на 20–40 м ниже его уровня. Там строительство водозащитных сооружений является для страны роковым вопросом: «Быть или не быть?» И как же они его решили? Они тоже построили дамбу, но не такую, какую упорно, несмотря на все выступления общественности, возводят в Ленинграде, — не сплошную стену, а подъемные шлюзы. Они отлично знают, что шлюзовой способ дороже сплошного во много раз, знают и то, что на шлюзы нельзя списать сотни «лишних» миллионов гульденов, как можно это сделать при возведении сплошной дамбы — мол, засыпали в дамбу десять миллионов тонн грунта, а его море унесло. Надобно списать расходы… Знают и голландцы эту уловку, эту липовую дешевизну. Но возвели они шлюзы и в конечном итоге выиграли: там вода не зацветет, не завоняет… В обычном состоянии шлюзы подняты, морская вода свободно проходит в лагуны и выходит из них. В шторм шлюзы опускаются и надежно охраняют землю от наводнения. И представьте себе, именно общественность заставила специалистов построить этот более дорогой, но в конечном итоге и более экономичный шлюзовой вариант».

Подобная Ленинграду ситуация характерна для ряда крупных городов, в том числе Гамбурга и Лондона. Большое нагонное наводнение произошло в Гамбурге, стоящем в низовьях Эльбы, в ночь на 17 февраля 1962 г., при котором погибли около 500 человек. В эту ночь европейского континента достиг ураган «Венсенетта», зародившийся у островов Вест-Индии и мчавшийся со скоростью 280 км/ч. Уровень Эльбы поднялся выше защитных дамб, вода затопила около трети территории города. Потоки несли трупы людей и животных, мебель и машины по улицам города, спокойно заснувшего накануне вечером. В эту ночь в Северной Европе ураган высвободил больше энергии, чем было ее запасено во всем мировом арсенале ядерных бомб. Проект строительства защитных плотин и укрепления существующих был одобрен в Гамбурге еще до этого наводнения, недавно сооружение защитной системы завершено.

В районе эстуария р. Темзы первое большое наводнение зарегистрировано в 1236 г. Там же в 1953 г. подобное наводнение унесло 300 жизней. Проблема защиты от наводнений дебатировалась в Англии несколько столетий. В 1968 г. правительство признало риск затоплений Лондона нетерпимым, в 1972 г. парламент принял акт о сооружении защитной системы и сейчас строительство ее завершено. Это — перегораживающая Темзу бетонная плотина длиной около 600 м с 10 стальными поворотными затворами высотой 20 м (рис. 57). При спокойной гидрологической ситуации затворы лежат у дна, не препятствуя судоходству и течению реки; при подъеме уровня воды до критического затворы будут повернуты в вертикальное положение и преградят путь штормовому нагону.

Катастрофические наводнения на побережьях морей и океанов порождаются и сейсмическими причинами — землетрясениями, подводными извержениями вулканов. Вдали от берегов, в океане, происходят землетрясения и от их эпицентра со скоростью реактивного самолета (до 800–1500 км/ч) устремляются к берегам невысокие и очень длинные волны. В океане они совершенно незаметны — каких-то 50–100 см высоты на протяжении 200–300 км, но несут они огромную энергию. Эти волны — цунами. Накатываясь на отмели и берега, особенно в узких заливах или бухтах, цунами резко увеличивают свою высоту и превращаются в пенистый вал — стену воды высотой 10–20 м, а то и больше.

Историки насчитали по сохранившимся письменным источникам 355 цунами за последние 2500 лет, из них 308 — в Тихом океане (на него приходится до 80% землетрясений всего земного шара), 26 — в Атлантическом, 21 — в Средиземном море. Сейчас большие цунами регистрируются 2–3 раза в год. Более других испытывают на себе их действие Камчатка, Курильские, Гавайские острова и особенно Япония (не случайно название цунами японского происхождения и означает «большая волна в гавани»).

Вот некоторые выдержки из хроники цунами:

1 ноября 1755 г. Землетрясение в Лиссабоне генерировало волны высотой 5–12 м. На г. Кадис, недалеко от Гибралтара, обрушились 18 гигантских волн.

13 августа 1868 г. Южное Перу (ныне Северное Чили). Военный корабль США «Уотери» заброшен на милю в глубь материка волной 20-метровой высоты. Отступив, волна обнажила дно залива Икике до глубины 7 м, а вернувшись, затопила город Икике.

27 августа 1883 г. Извержение вулкана Кракатау. В 13 ч жители о. Ява в 160 км от вулкана услышали громоподобные раскаты; в 14 ч над Кракатау поднялась черная туча высотой 27 км; в 17 ч обрушилась первая волна. На берегах Явы и Суматры цунами высотой до 30 м смыли поселения, погибли более 36 тыс. человек. Волны распространились в Индийский океан, обогнули мыс Доброй Надежды, прошли Атлантический океан. Причиной образования цунами в этом случае мог быть и взрыв вулкана, и падение в воду большого объема (около 20 км³) выброшенного вулканом материала — магмы и горной породы.

15 июня 1896 г. Северо-восточная Япония. На побережье протяженностью более 300 км волны достигали высоты от 3 до 25 м, а в вершинах заливов — до 30 м. Снесено 10 тыс. домов, погибли 27 тыс. человек.

1 апреля 1946 г. Землетрясение в Тихом океане. Цунами обрушилось на г. Хило (Гавайские острова). Капитан корабля, стоявшего в море вдали от порта, с изумлением увидел, как город гибнет под ударами волн, которые прошли под его кораблем, не причинив ему вреда. На Маркизских островах, отстоящих вдвое дальше от эпицентра землетрясения, на расстоянии 4 тыс. миль, цунами уничтожили поселения в узких заливах.

22 мая 1960 г. Чили. 8,5-балльное землетрясение разрушило в радиусе 250 миль более миллиона домов, погибли 4 тыс. человек. В дополнение к этому цунами опустошили десятки городов на побережье Чили, а затем произвели разрушения на берегах Австралии, Новой Зеландии, Филиппин. В США пострадали города Лос-Анджелес, Сан-Диего. В Японии, за 9 тыс.миль от Чили, высота цунами достигла 5 м, погибли 180 человек. Вновь сильный удар цунами обрушился на г. Хило.

Эффективной защиты от цунами сейчас нет. (Это не значит, что ее не может быть.) Пока есть только возможность уйти из опасной зоны (на Курильских островах на новые места перенесен ряд населенных пунктов) или заранее предупредить людей о надвигающейся волне и дать им возможность для спасения. Предупреждения основаны на расчете движения волны и на непрерывном наблюдении за возмущениями в океане. Основу наблюдательной системы составляют сейсмические станции, регистрирующие землетрясения. Кроме того, проводятся наблюдения за колебаниями уровня океана с помощью мареографов, а также акустические наблюдения.

Япония оборудовала группу из девяти сейсмических станций на удаленных островах. Не позже чем через 5 мин от начала землетрясения станция передает данные центру, который определяет местонахождение эпицентра и интенсивность землетрясения. Центр принимает решение о тревоге и передает все необходимые сведения в обслуживаемый район не позднее чем через 20 мин от начала землетрясения.

В США для предупреждения о цунами используется гидроакустическая система «Софар». Ее основное назначение — оповещение об авариях в океане. Корабли и самолеты, курсирующие между США и Гавайскими островами, оснащены бомбочками массой около 1 кг. При аварии бомбочки автоматически освобождаются и взрываются; сигнал улавливают гидрофоны, устанавливающие место и время аварии. Эта система принимала отзвуки подводного извержения вулкана в 300 км от Токио, за 8000 км от гидрофонов.

На тихоокеанском побережье Советского Союза также имеется несколько станций предупреждения о цунами. Об одной из них — в Южно-Сахалинске — в 1987 г. сообщал корреспондент «Известий» В. Беликов:

Пилот самолета, приближавшегося к острову Парамушир, не верил своим глазам. «Северо-Курильск погружается в океан!» — передал он в эфир и был, к сожалению, прав. В ноябре 1952 г. цунами поглотило городок…

Ныне бессменную научную вахту несет сейсмостанция «Южно-Сахалинск».

— Практически в любую минуту, — объясняет заведующий станцией В. Нестеров, — может грянуть отдаленная или близкая «гроза» в земной толще. Случается, что при таком толчке океанское ложе прогибается на несколько десятков метров, и тогда проявляется эффект водяного поршня.

Во все стороны со скоростью реактивного лайнера разбегаются круги по воде — пологие волны цунами, которые вдали от берегов могут быть даже не замечены с судов. На небольшой глубине они тормозятся и вырастают до высоты многоэтажного здания. Ревущий вал не знает преград…

— Но, как ни велика скорость цунами, — подчеркивает руководитель станции, — сейсмоволны в земной коре распространяются еще быстрее. Превысит сила землетрясения порог в 7 баллов — на пульте дежурных, круглосуточно следящих за аппаратурой, автоматически срабатывает сигнализация.

Счет времени тотчас пойдет по-иному. И главное, необходимо решить: объявлять или нет цунами — тревогу?

Если угроза с моря реальна, то действуют незамедлительно, извещая об этом местные власти, телеграф и другие подразделения, обеспечивающие меры безопасности в зонах возможных «заплесков». Прерываются передачи местного радио и телевидения, чтобы передать в эфир тревожную весть: «Цунами, цунами!»

Все как один уходят или уезжают на специально выделенном автотранспорте в заранее подготовленные убежища на высоких холмах и сопках, в отрогах недалеких гор. Там уже созданы запасы всего необходимого — продуктов, одежды, медикаментов, чтобы переждать подступившую беду.

— Как часто объявляются цунами-тревоги и всегда ли они оправдываются? — спросил я начальника отдела Сахалинского гидрометеоуправления М. Кузнецова.

— В году 4–5 раз такая опасность может угрожать некоторым прибрежным районам нашей островной области, — ответил он. —

Тогда и раздаются сигналы тревоги, прерывается работа, прекращаются занятия в школах, эвакуируются люди…

— И бывает, что все эти приготовления ни к чему — цунами, к счастью, не приходит?

— Такое случается примерно в половине случаев после объявления тревоги, — признается мой собеседник. — Нас, океанологов, а заодно и сейсмологов принимаются тут же упрекать в неточности прогнозов, излишней перестраховке. Но если проглядеть цунами, не принять необходимых мер предосторожности, последствия могут оказаться катастрофическими!

Что ж, можно понять жителей приморских поселков, понапрасну испытавших беспокойство, лишние хлопоты. Достоверность предупреждений о цунами-опасности значительно повысит создаваемая ныне единая автоматизированная система наблюдения и оповещения.

Ее ЭВМ с дальних плавучих буев в море через спутники получит сигналы о прохождении волны, порожденной подземным ударом. Сработают затем донные датчики, связанные кабелем с берегом, — на подходе разрушительный водяной вал! Тут уж сомнений и просчетов быть не может: надо срочно проводить эвакуацию.

На одной из улиц Южно-Сахалинска строится здание, в котором разместятся аппаратура и обслуживающий персонал новой системы. В 1990 г. она должна заработать».

Вдали от морских берегов, в речных долинах и у озер, наводнения бывают обусловлены разными причинами, но главным образом — количеством и интенсивностью выпадения дождевых осадков и снеготаяния. Этим наводнениям подвержено большинство городов и селений, потому что все они возникли и выросли у воды, на берегах рек и озер, которые служат источниками водоснабжения и транспортными путями. Наводнения затопляют и большие сельскохозяйственные территории. В СССР, по данным Р.А. Нежиховского, суммарная площадь периодически затопляемых территорий оценивается в 500 тыс. км, наводнения угрожают 400 городам и тысячам поселков и сел. На Украине периодически подвергаются наводнениям Харьков, Чернигов, Лисичанск; на Урале — Орск, Златоуст; в Сибири — Тюмень, Тобольск, Кемерово, Новокузнецк и многие другие. Наводнения на реках Дальнего Востока достигают размеров национального бедствия.

Нередки были наводнения в Москве, разливавшаяся весной в половодье и летом после обильных дождей р. Москва затопляла большие районы города. В конце XVIII в., после того как были повреждены наводнением опоры Большого Каменного моста, построили обводной канал, но и он не помогал при больших наводнениях. Весной 1908 г., когда исключительно большое половодье после многоснежной зимы охватило всю центральную часть России, уровень р. Москвы поднялся почти на 9 м. В городе была затоплена территория в 1400 га, главным образом в районе Замоскворечья, по улицам Пятницкой, Ордынке, Полянке плавали на лодках.

Наводнения в Москве происходили не только при разливах реки, но и после сильных дождей. Летом 1924 г. во время ливня по улице Тверской (ныне ул. Горького) вниз в сторону Кремля неслась река, по которой плыли газетные киоски. Пруды Зоопарка вышли из берегов и слились с потоками на соседних улицах. Чаще других затоплялся район Трубной площади. Об этом рассказал В.А. Гиляровский в одном из очерков «Москва и москвичи»: «Трубную площадь и Неглинный проезд почти до самого Кузнецкого моста тогда заливало при каждом ливне, и заливало так, что вода водопадом хлестала в двери магазинов и в нижние этажи домов этого района. Происходило это оттого, что никогда не чищенная подземная клоака Неглинки, проведенная от Самотеки под Цветным бульваром, Неглинным проездом, Театральной площадью и под Александровским садом вплоть до Москвы-реки, не вмещала воды, переполнявшей ее в дождливую погоду. Это было положительно бедствием, но «отцы города» не обращали на это никакого внимания.

В древние времена здесь протекала речка Неглинка. Еще в екатерининские времена она была заключена в подземную трубу: набили свай в русло речки, перекрыли каменным сводом, положили деревянный пол, устроили стоки уличных вод через спускные колодцы и сделали подземную клоаку под улицами. Кроме «законных» сточных труб, проведенных с улиц для дождевых и хозяйственных нужд, большинство богатых домовладельцев провело в Неглинку тайные подземные стоки для спуска нечистот, вместо того чтобы вывозить их в бочках, как это было повсеместно в Москве до устройства канализации. И все эти нечистоты шли в Москву-реку».

В.А. Гиляровский дважды спускался в Неглинку и видел, что около Малого театра, где канал делает поворот, русло было так забито разной нечистью, что вода едва проходила сверху узкой струйкой: здесь и была главная причина наводнений. Репортерская заметка В.А. Гиляровского сделала свое дело: в 1886 г. Неглинка была перестроена.

В наше время (60-е годы) под Неглинной улицей построен новый большой коллектор. Избавлена Москва и от речных разливов: в бассейне Москвыреки создано несколько водохранилищ — Истринское, Можайское, Рузское, Озернинское, — которые регулируют сток, не допуская высоких подъемов уровня.

Хорошо известна изменчивость количества осадков во времени. Многолетние наблюдения выявили периодичность их интенсивности как в пределах годовых циклов, так и из года в год. Смена многоводных и маловодных периодов подчиняется (с весьма существенными отклонениями) 11-летней цикличности солнечной активности; выявлен еще ряд закономерностей. И все равно предсказать катастрофически многоводные и маловодные годы пока невозможно. Тем более неожиданны большие выпадения осадков, приводящие к катастрофическим наводнениям. Угроза наводнений возрастает, когда ливневые дожди совпадают с быстрым таянием снегов, добавляющим к речному стоку накопленные ранее водные запасы.

Характерный пример — наводнение во Флоренции, вызванное выпадением осадков интенсивностью 190 мм в сутки. К началу ноября 1966 г. в Апеннинах выпал обильный ранний снег, на высотах более 500 м толщина снежного покрова достигла 2 м. Вслед за этим, в ночь на 2 ноября, из Центрального Средиземноморья на Италию двинулся циклон с массой теплого влажного воздуха; обильными дождями, ветром от 80 до 150 км/ч. Стихия обрушилась на многие районы центральной и северной Италии, но особенно пострадала Флоренция, ее исторический центр с многочисленными ценностями культуры и искусства. Ранним утром 4 ноября воды р. Арно вышли из берегов и затопили центр города. Уровень воды поднялся до 11 м над меженным уровнем реки и до 6 м над мостовыми Флоренции. Скорость водяного потока достигала 50–70 км/ч.

Наводнение причинило много бед. Материальный ущерб оценен в 2 млрд. долларов. Безвозвратно утрачены или сильно повреждены многие бесценные произведения искусства. Погибло более 100 человек. (Итальянские журналисты отмечают, что, если бы день наводнения не совпал с национальным праздником вооруженных сил и в центр города отправились на работу несколько тысяч человек, жертв могло быть гораздо больше.)

Основная вина за наводнение и его последствия во Флоренции лежит, конечно, на стихии. За 24 часа в бассейне Арно выпало 15% годовой нормы осадков, за 48 часов — до 25–30%, плюс таяние снега. Общий объем воды, сброшенной на Флоренцию, составил около 400 млн. м³. Но и человек виновен в постигшем город бедствии.

Флоренция подвержена наводнениям, хотя и достаточно редким, на протяжении всей истории. Большие паводки р. Арно проходили примерно каждые 25 лет, экстраординарные наводнения — раз в столетие (в 1966 г. самое большое из них). Тем не менее кардинальных средств по защите от наводнений Флоренция не имела и не имеет до сих пор, хотя проекты отводного канала и других сооружений имеются. На р. Арно выше Флоренции построены плотины гидроэлектростанций, но они. не только «не выполнили защитных функций, а наоборот, в ноябре 1966 г. усугубили интенсивность паводковой волны увеличенным сбросом расхода (в противном случае, под угрозой разрушения были сами плотины). Увеличению стока атмосферных осадков способствовало в большой мере уничтожение лесов на склонах Апеннин (это характерно, кстати, не только для этого района). Наконец, прямым укором безответственности и беспечности была неожиданность наводнения, хотя технически была возможность предвидеть его не менее чем за сутки.

Для предупреждения о наводнениях в речных долинах, подобно рассказанному о цунами, создают автоматически действующие системы. В 1987 г. вошла в строй система раннего предупреждения о паводках в бассейне реки Пассейик вблизи Нью-Йорка. В этом районе, страдающем от частых наводнений, расположено около 100 населенных пунктов. Ежегодный ущерб от наводнений достигает 72 млн. долларов, а в случае паводка с вероятностью 1%, т.е. один раз в сто лет, может быть затоплено 22 тыс. зданий и нанесен материальный ущерб на сумму около 1,5 млрд. долларов. Система раннего предупреждения о паводках имеет целью снизить материальный ущерб и сохранить человеческие жизни. Данные о количестве осадков и уровнях воды с пунктов их измерения автоматически передаются на 10 оборудованных компьютерами приемных станций. Эта информация, сопровождаемая прогнозами Национальной службы погоды, оперативно передается во все пункты опасной зоны. Для повышения надежности система имеет способность компенсации возможных нарушений отдельных ее элементов. Информация может передаваться двумя независимыми путями. Для передачи большого объема информации из крупного региона наиболее эффективным и экономичным оказался метод с использованием спутников связи. Подобные системы действуют также в районах Хьюстона, Остина и в других частях США.

Гидротехника располагает средствами укрощения буйного нрава рек. Эти средства — регулирование речного стока, в частности возведением плотин и созданием водохранилищ. Располагая достаточной емкостью водохранилища и прогнозируя гидрологическую и метеорологическую обстановку, гидротехники вовремя подготавливаются к приему паводков, не допуская наводнений.

Плотины и гидростанции — сооружения, как правило, многоцелевые (энергетика, орошение, судоходство и пр.). В ряду этих целей защита от наводнений — одна из наиболее важных.

Строительство плотин, особенно крупных, ведется с учетом максимальных расходов реки, с обязательным коэффициентом запаса на дополнительное непредвиденное увеличение стока. Учитываются и условия нижнего бьефа плотин — с какой скоростью и интенсивностью может распространяться волна вниз по руслу.

Плотины стараются строить основательно, капитально, надежно. И все же… В течение 1946–1955 гг. в мире зарегистрировано 12 случаев разрушения крупных плотин из 2000 построенных за это время; в следующее десятилетие — 24 случая разрушения из 2500. Обрушиваясь из разрушенного водохранилища вниз по течению реки, накопленная в нем вода становится причиной искусственного наводнения в прибрежных районах речной долины.

По результатам анализа. 300 аварий плотин выявлено, что примерно 30% из них произошло вследствие превышения расчетного максимального сбросного расхода воды (мал коэффициент запаса), 25% — в связи с дефектами основания и тела плотин (недостаточный учет геологических условий и воздействия фильтрации воды), остальные — по различным причинам, включая некачественный проект, ошибки при строительстве, низкое качество строительных материалов и т.п. Основная доля причин — это недостаточный учет геологической обстановки. Природа преподносит сюрпризы, требуя от человека уважения к себе и изучения всех своих особенностей.

2 декабря 1959 г. произошло разрушение арочной плотины Мальпассе на р. Рейран близ г. Фрежюс во Франции. Вода из водохранилища с напором около 60 м хлынула в долину реки, волна уничтожила часть города. Погибло более 400 человек. Причина аварии — разрушение скального основания (гнейсов). Повышение гидростатического давления в гнейсах привело к увеличению их трещиноватости и раскрытию одной из трещин до 10–20 мм. Подошва плотины стала смещаться, вызывая вращение всей плотины вокруг своего гребня, опиравшегося на берега. В основании левого борта плотины произошел выпор пород и почти вся левая половика плотины рухнула под напором воды. Это одна из версий причин аварии. Их анализом занимались многие ученые и инженеры, но к единому мнению прийти не смогли. Настолько сложна и недостаточно выявлена взаимосвязь природных и искусственно вызванных явлений.

9 октября 1963 г. в долине Вайонт у подножия горы Монте-Ток (бассейн р. Пьяве в Италии) в водохранилище обрушился массив горных пород объемом около 300 млн. м³. Почти вся потенциальная энергия этой оползневой массы перешла в кинетическую, язык оползня быстро продвинулся почти на 500 м, вышел на противоположный склон на высоту 140 м и перекрыл ущелье шириной 100 м. В результате вода из водохранилища была выдавлена на 260 м выше своего уровня. Обрушившись с высоты более 400 м в нижний бьеф, волна уничтожила пять селений. Погибло около 1900 человек. Здания вблизи плотины, располагавшиеся на 60 м выше ее гребня, были смыты начисто, до фундаментов. А плотина устояла! Даже гребень ее остался почти ненарушенным.

Оползень в долине Вайонт начал проявлять себя за 4 года до катастрофы, при первом частичном заполнении водохранилища (в начале строительства о существовании оползня не было известно). На оползне были проведены детальные исследования, за его движением велись наблюдения. Скорости подвижек достигали 20–30 см в сутки, затухали и вновь возобновлялись. Предположений о возможности быстрой и большой подвижки ни у кого не возникало. Это случилось внезапно, без предварительных признаков. Бригада наблюдателей за оползнем не только не успела предупредить других, в том числе свои семьи, ко и сама погибла. Живых свидетелей катастрофы не осталось. Уничтожены все приборы, установленные на плотине, а также последние записи измерений и другие технические документы. О развитии оползня и наводнении можно было судить только по данным, собранным после катастрофы.

Оползень «Ток» в долине Вайонт — первый оползень такого масштаба в скальных породах на берегу водохранилища. Он произошел вопреки прогнозам — это явление уникальное. Но то же самое, может быть, менее категорично можно сказать о любой крупной аварии гидротехнических сооружений. Не существует двух одинаковых случаев, — природные условия различны на разных сооружениях.

Могут ли ученые и инженеры дать гарантию безопасности всех без исключения сооружений? Пока, по-видимому, не могут. Об этом свидетельствует практика.

Наряду с общим прогрессом в проектировании и строительстве, техника плотиностроения пока еще содержит много неизвестного и предположительного, и это делает плотины сооружениями далеко небезопасными. Возможность разрушения плотин все еще остается вероятной. Существует понятие об аварийном потенциале плотины, который возрастает с увеличением ее высоты. Идут два процесса: с одной стороны, накопление наших знаний и прогресс техники, с другой — возрастание риска, обусловленное усложнением сооружений, увеличением их размеров и воспринимаемых ими нагрузок. Первый процесс обязан идти быстрее и успешнее, иначе не может и не должно быть. Кривая числа рукотворных наводнений должна, наконец, пойти вниз, к нулю.

ПОДТОПЛЕНИЕ ГОРОДОВ

Наступление моря на сушу идет не только поверху, но и под землей. Вторжение морской воды снизу менее заметно, чем поверхностное, так как действует медленно и скрытно, но не менее опасно. Как же оно происходит?

В обычных, естественных условиях уровень моря почти повсеместно (за исключением отдельных низинных территорий) расположен ниже уровня подземных вод, насыщающих берега, — происходит разгрузка подземных вод в море. Но, как всюду, человек и здесь вмешивается в дела природы. На пути текущих к морю подземных вод он ставит «сети» в виде водозаборных скважин и перехватывает поток воды.

Во многих прибрежных районах мира в течение ряда десятилетий города, сельское хозяйство и промышленность используют для водоснабжения и орошения подземные воды. Поэтому общий напор этих вод понизился на значительную величину, достигающую десятков метров. Образующаяся «пустота» тут же заполняется морской водой, которая под действием перепада уровней воды и в море и на материке (по закону сообщающихся сосудов) течет в сторону суши и вторгается в берег.

Возникает своеобразный «поршневый эффект» — морская вода выдавливает, вытесняет пресную воду суши и, отжимая из пор и трещин горных пород, занимает ее место.

При наступлении сильно минерализованной морской воды на пресные водоносные горизонты засоляются водозаборные скважины, оставляя жителей городов без питьевой воды, а сельскохозяйственные посевы без орошения. И еще одна неприятность приходит вместе с солеными морскими водами — их воздействие на фундаменты и другие заглубленные части зданий. В результате химического воздействия начинается постепенное разрушение бетонных или кирпичных конструкций, которые построены далеко от моря и не предназначены для работы в химически агрессивной морской среде.

Интенсивное вторжение моря в подземное пространство суши вот уже много лет беспокоит население калифорнийского побережья США, северных и западных берегов Франции, прибрежных средиземноморских районов Ближнего Востока и многих других приморских территорий. В некоторых местах морская вода проникла в глубину суши на большое расстояние, достигающее десятков километров.

Борьба с подземной морской агрессией в большинстве случаев ведется тоже с помощью воды. На пути вторгающегося в сушу моря ставят гидравлическую плотину — так называемый барраж. Он представляет собой заградительный барьер, состоящий из линейного ряда скважин, через которые под землю нагнетается (или просто наливается) пресная вода. Накапливаясь вблизи нагнетательных скважин, она образует бугры искусственных подземных вод, которые постепенно растекаются и сливаются друг с другом, образуя своеобразную водную завесу, высотой превышающей уровень моря. На пути моря-агрессора встает надежная преграда. Закачка пресных поверхностных (чаще всего речных) вод обычно осуществляется в зимнее и весеннее время года, когда расходы на водоснабжение, и особенно на ирригацию, резко снижаются. Освобождающийся в этот период объем пресной воды, можно использовать для восполнения израсходованной ранее части подземных вод и поднять их уровень с помощью нагнетательных скважин.

Главная задача — создание тока подземных вод к морю, для чего необходимо превышение уровня пресных вод над морскими, может быть решена и другим путем. Если нет резерва речной воды и гидравлический барраж делать не из чего, то с вторгающейся морской водой поступают просто: ее перехватывают тем нее заградительным рядом скважин, откачивают и сбрасывают обратно в море. В результате этого на линии скважин создается понижение уровня морской воды, которая затем уступает место воде пресной.

Удачное решение проблемы дает применение метода спаренных скважин. Состоит он в том, что на некотором расстоянии друг от друга устанавливают два ряда водозаборных скважин. Один из них расположен в пределах подземных пресных, другой — вторгшихся в сушу морских вод. При одновременной откачке из таких спаренных скважин между ними под землей образуется строго определенная граница раздела соленых и пресных вод. В каждую сторону от этой границы распространяется своя зона, соответствующая области влияния того или другого ряда водозаборных скважин. Такая граница поддерживается постоянно.

Помимо естественных морей, омывающих континенты, агрессию на сушу осуществляют и искусственно созданные человеком моря — водохранилища. Посмотрим на географическую карту европейской части СССР, которая обладает лишь 20% всех речных ресурсов страны. Эту несправедливость природы исправляют гидротехники. Синие нитки рек во многих местах перевязаны толстыми голубыми узлами. Это гидроузлы, водоподпорные плотины которых поднимают уровень воды в реках и образуют водохранилища, позволяющие создавать сезонные внутригодовые и многолетние запасы воды.

Кроме водохозяйственной роли водохранилища имеют и энергетическое значение. В послевоенные годы нашей стране нужно было срочно поднять экономику, восстановить разрушенную промышленность, наладить сельское хозяйство. В основе этого подъема было развитие гидроэнергетики. «Великие стройки коммунизма» — так претенциозно были названы развернувшиеся гидротехнические строительства на Волге, Днепре, Дону, Куре. В небывало короткий срок поднялись гидроэнергетические гиганты у Жигулей, Каховки, Цимлянской, Севана, Мингечаура.

Однако, как и всякое «исправление ошибок природы», водохозяйственное строительство помимо полезности имеет и свои минусы, о которых надо помнить.

Аккумулируя паводковые воды, водохранилища фактически заменяют ежегодные естественные половодья одноразовым неповторяющимся искусственным разливом. В связи с сооружением на плоскостях Восточно-Европейской равнины новых рукотворных морей (Цимлянского, Каховского, — Рыбинского, Горьковского и др.) потребовалось затопление большой территории. Водохранилища на реках влекут за собой и самые серьезные изменения естественных гидрогеологических условий на прилегающих территориях. Большинство равнинных рек получает грунтовое питание со стороны берега за счет притока подземных вод. Возникновение же подпора речной воды в верхнем бьефе плотины вызывает подъем нескольких, а то и десятков метров.

Вдоль водохранилища возникает своеобразная зона подпора подземных вод, ширина которой колеблется от нескольких сотен метров в хвостовой части водохранилищ до десятков километров в приплотинной части.

Результаты выполненных расчетов фильтрации воды в берега (рис.58) показывают, что если расход поступающей из водохранилища воды с течением времени снижается, то подъем уровней подземных вод на прибрежной территории, наоборот, увеличивается. Как видим, фильтрация из водохранилища (фильтрационные потери) со временем уменьшается от 8000 до 6700 м³/сут. За этот же период уровни подземных вод повышаются и на расстоянии 200 м от плотины они составляют 35–43 м, а на большем удалении (500 м) — 25–37 м.

Следует отметить, что с годами интенсивность подтопления растет и постепенно достигает наибольшего значения. При этом увеличивается как ширина призмы фильтрации, так и ее высота. Например, в течение 1967–1972 гг. подпор плотины Красноярского водохранилища на Енисее в глубь берега достиг расстояния 1,5–3 км. Динамика этого распространения такова, что стабилизация уровней подземных вод не наступает даже за пять лет. При этом ширина зоны подтопления в большой степени зависит от проницаемости горных пород, слагающих берега.

Не меньшую опасность подтопления прибрежных территорий создает фильтрация из каналов, теряющих до 50–70% всей воды, которая в них поступает из водозаборов. Это, естественно, вызывает подъем уровней воды, который распространяется на многие километры, подтопляя города и поселки.

К большим магистральным каналам в их «деятельности» по подтоплению близрасположенных населенных пунктов присоединяется и огромное число более мелких оросительных каналов ирригационной сети. Мало того, и сам процесс орошения сельскохозяйственных полей, особенно с самотечной подачей воды по бороздам, ведет также к интенсивной инфильтрации поливной воды в грунт.

В результате подземных наводнений происходит заболачивание низинных участков, образуются целые «фильтрационные» озера. Например, озера в зоне Каракумского канала, Саракамышское озеро в Средней Азии и др. Кроме того, при подъеме уровней подземных вод из нижних горизонтов земли вымываются вредные соли. Поднимаясь вверх, образовавшийся раствор достигает почвенного слоя и после испарения влаги соль покрывает землю белым налетом.

Борьба с подтоплением обжитых человеком территорий ведется разными способами. Во-первых, принимаются меры по улучшению оросительных и других каналов. Для этого применяют противофильтрационную гидроизолирующую одежду — покрывают откосы и дно каналов бетоном, железобетоном, асфальтобетоном, полиэтиленовой пленкой и т.п. Во-вторых, там, где это возможно, вообще отказываются от открытых каналов и применяют трубы и лотки, из которых вода не фильтрует.

Но главное, всюду, где можно, необходимо отказываться от традиционного принципа полива посевов, когда затрачивается большое количество лишней воды. Другим способом уменьшения количества подаваемой на поля оросительной воды является подпочвенное орошение. Оно состоит в том, что вместо каналов и борозд для подачи воды растениям применяют зарытые в землю дырчатые трубы. Струйки воды в нужном количестве поступают под почвой непосредственно к корням растений. Лишняя вода не расходуется.

И совсем экономично так называемое «капельное орошение», которое недавно стало применяться в Израиле, Италии и некоторых других южных странах. Его идея заключается в том, что оросительная вода под напором подается к корневой системе каплями с помощью трубок-капилляров, опущенных в почву.

В Ташкентском институте» Гидроэнгео Министерства геологии Узбекской ССР исследованы условия и характер подтопления около 30 городов, расположенных в орошаемых районах Средней Азии. К их числу относятся такие большие города, как Ташкент, Самарканд, Бухара, Фергана, Чирчик, Хива, Наманган, Андижан, Нукус и др. На окружающих эти города землях в течение многих десятилетий, а то и веков почти без перерыва ведется интенсивное орошение хлопковых плантаций. В результате насыщения водой толщи грунтов возникают новые горизонты подземных вод, размеры которых часто превышают размеры природных водоносных пластов.

Подземные воды со всех сторон окружают города и ведут наступление на городские кварталы и промышленные площадки. Например, в Бухаре и Хиве уровень подземных вод во многих местах поднялся до глубины 0,5–1 м от поверхности земли и затопил подвалы и фундаменты многих домов. Хорошо еще, что знаменитые историко-архитектурные памятники средневековья поставлены древними зодчими на высоких участках, куда вода не добралась, а то бы и они пострадали.

До сих пор речь шла о внешних источниках подтопления, о подземной воде, нападающей со стороны. Однако во многих случаях у застроенных территорий есть и внутренний враг — вода, которая подтопляет их изнутри (рис.59).

Современный город или завод — это большой организм с развитой системой водообращения. Сердцем его служит водозабор — насосная станция, которая берет воду, например, из реки и после очистки и обеззараживания подает в водопроводную сеть. Водоводы — «артерии» города, несут воду в жилые кварталы, в паровые котлы теплоэлектростанций, в цехи заводов и фабрик.

Использованная городом и промышленностью, загрязненная механическими взвесями и химическими веществами вода сбрасывается в канализационную систему «вен» — трубопроводов. Коллекторно-сбросная сеть собирает отработанную городом воду и отводит ее на очистные сооружения, где она приобретает статус «условно чистых стоков», сбрасываемых в реку.

На всех этапах подачи, использования и отвода воды неизбежны ее потери, которые связаны с утечками через неплотные стыки водопроводных труб и канализационных коллекторов, а также с эпизодическими прорывами трубопроводов. Особенно много воды сбрасывают промышленные предприятия с так называемой мокрой технологией (например, сталелитейная или химическая промышленность). Значительная часть воды помимо испарений, просачивается в землю.

Производственные стоки и водопроводная вода, попадающие в грунт, накапливаются в нем и образуют своеобразные техногенные горизонты подземных вод. От года к году уровень этих вод поднимается все выше и выше и, наконец, начинает подтоплять подвалы и фундаменты зданий.

Еще серьезнее изменения инженерно-гидрогеологических условий, происходящие в течение длительных промежутков времени и на больших застроенных площадях. По данным Одесского статистического комитета, опубликованным в 1865 г., s северо-западной части города, в частности в районе Дальних и Ближних мельниц и в слободке Воронцовке, подземные воды почти не наблюдались. Однако после начавшегося в 1870 г. строительства Днестровского водопровода гидрогеологические условия района резко изменились. Во многих частных колодцах уровень воды поднялся на десятки сантиметров, а то и на метры. В 1936 г. уровни подземных вод от действия многих факторов поднялись настолько, что оказались подтопленными подвалы мукомольного института, кондитерской и мебельной фабрик и других предприятий.

На прибрежных участках Одессы подземные воды в 1939 г. были встречены на глубине 10–18 м лишь в районе парка им. Шевченко и Аркадии. Через 10–15 лет, в 50-х годах, площадь распространения подземных вод на одесском побережье Черного моря значительно расширилась и охватила весь оползнеопасный участок берега от Аркадии до мыса Большой Фонтан. Искусственно образовавшийся водоносный горизонт, возникший поначалу в виде отдельных куполов, в последующем распространился со скоростью 20–30 м/год на большую территорию. Уровень подземных вод поднялся со временем до глубины 5 м, ав Ленинском поселке, на Шкодовой горе, в районе улиц Богдана Хмельницкого, Белинского и др. — до 0,5–3 м от поверхности земли.

Таких примеров можно привести много (рис. 60, 61, 62).

Подъем уровней подземных вод за счет инфильтрации в грунт воды с поверхности земли — это явный, легко распознаваемый вид подтопления. Однако есть еще и скрытые пассивные формы подтопления, когда на подъем уровней воды под землей влияют косвенные, на первый взгляд незаметные, причины. Наиболее удивительно проявление процесса подтопления в засушливых безводных районах. Еще в начале 50-х годов было замечено, что после завершения строительства на промышленных площадках и в городах в подвалах зданий появлялась вода. Это явление имело место даже в засушливых районах, где подземные воды всегда были большой редкостью.

Причину загадочного процесса объяснили ученые — геологи, гидрогеологи и грунтоведы. Дело в том, что после того как промышленные предприятия и городские кварталы домов закрывают поверхность земли, начинается усиленное выделение конденсационной влаги. Водяные пары устремляются к подошве фундаментов, где температура ниже, чем в атмосфере. Этот процесс четко проявляется повсеместно вокруг нас. Вспомним стог сена, долгое время простоявший в поле, большой камень или кирпич — когда его убирают, почва под ним оказывается влажной.

Образующийся под сооружениями и асфальтовым покрытием конденсат испариться не может, поэтому он начинает скапливаться в грунте и образовывать верховодку.

К накоплению подземной влаги приводит и переформирование рельефа при строительстве и организации стройплощадки: планировка местности, засыпка оврагов, западин и т.п. При этом затрудняется поверхностный сток атмосферных осадков, который раньше происходил естественным образом.

В других случаях скрытое подтопление связано со строительством не на поверхности земли, а под ней. Например, в Харькове после прокладки метрополитена в прилегающих к его трассе городских кварталах во многих домах и котельных начали подтопляться подвалы. В чем дело? Приведенные инженерно-гидрогеологические изыскания показали, что тоннели метро, построенные поперек потока подземных вод, сыграли роль своеобразной водоподпорной плотины — барража. В «верхнем бьефе» этой плотины уровни подземных вод резко повысились и достигли поверхности земли. Аналогичные процессы наблюдаются и в других городах, где построены перегораживающие течение подземных вод сооружения, транспортные и коммунальные тоннели, шахты, коллекторы, глубокие подвалы и фундаменты.

В последние годы барражный эффект, который оказывают подземные сооружения, стал учитываться — строительство под землей сопровождается устройством дренажа, предотвращающего подъем уровней подземных вод.

Мы рассказали о причинах подтопления, о его источниках. А каков механизм этого процесса? Почему вода, попадающая извне в землю, в большинстве случаев не уходит в более глубокие пласты и не растекается в стороны? Дело в том, что самый верхний слой горных пород, на которых мы строим свои города, — это почти повсеместно распространенные суглинки, глины, иловатые пески и супеси, слабопроницаемые грунты со слабой водоотдачей и плохой естественной дренированностью. Попадающая в такие грунты вода никуда не стекает, накапливается в виде так называемых верховодок, уровень ее растет и достигает критической глубины, при которой подтопляются города, заболачиваются и засоляются земли. Правда, процесс этот не бесконечен — со временем испарение с поверхности подземных вод уравновешивает их поступление и подъем прекращается.

Борьба с подтоплением ведется различными средствами, многие из которых применяются в комплексе друг с другом. Первое, самое радикальное мероприятие — это устранение причин подтопления, о чем уже говорилось. Противофильтрационная облицовка каналов, герметизация водопроводов и коллекторов, ликвидация утечек, организация водосбора и водоотведения дождевых и талых вод ливневой канализацией — наиболее надежный путь предотвращения подтопления.

Второй способ борьбы с поднимающимися подземными водами — это герметизация заглубленных сооружений. Идея здесь простая: пусть растет уровень воды, важно, чтобы он не затопил подвалы домов.

К сожалению, это не всегда оказывается достаточным. Часто подтопление приводит к ослаблению грунтов, на которых стоят здания, к их вымыванию, выщелачиванию и т.д. Основания сооружений теряют прочность, деформируются, вместе с ними теряют устойчивость и сами сооружения. Поэтому более действенным, активным средством борьбы с подземными водами является дренаж, который понижает их уровень до безопасной глубины.

В тех случаях когда источник подтопления известен и направление потока точно определено, строят отсечный (защитный) дренаж. Он перехватывает подземные воды и не дает им достигнуть застроенной территории. Таким линейным дренажем отсекают фильтрационное течение из водохранилищ или каналов.

Если же подтопление охватывает защищаемую территорию равномерно, например при утечках воды из городской водопроводной и канализационной сети, то устраивают систематический дренаж. Он представляет собой сеть дренажных сооружений, равномерно расположенных по всей дренируемой площади. В частности, это сеть вертикальных дренажных скважин, размещенных в шахматном порядке во всех районах города. Или это система пересекающихся друг с другом горизонтальных дрен, проложенных по прямоугольной сетке («шахматная доска»).

В случае необходимости защиты от подтопления отдельных зданий, цехов заводов или даже некоторых заглубленных сооружений строят локальный дренаж, понижающий уровень подземных вод лишь на заданных участках. Он выполняется в виде одиночных водопонизительных скважин или их групп либо в виде отдельных горизонтальных дрен.

Такой дренаж может устанавливаться и в виде кольцевых систем вертикальных, скважин или горизонтальных дрен, окружающих защищаемое сооружение, а также пристенного гравийно-песчаного дренажа. Подтопляемые трубопроводные, транспортные и кабельные линейные коммуникации сопровождаются так называемым попутным дренажем, который прокладывается рядом (и ниже) с самими коммуникациями.

Кроме вертикального и горизонтального дренажа, применяют комбинированный, состоящий из горизонтальных дрен со скважинами-усилителями, снимающими напор лежащего ниже напорного водоносного пласта. Зачастую возникает необходимость защиты от подтопления эксплуатируемых заводских цехов или жилых зданий. В таких условиях строить локальный дренаж очень трудно — подземное пространство здесь почти полностью занято трубами, кабелями, колодцами и т.п.

Успешным может оказаться применение, закрытого лучевого дренажа. Строится он так. Рядом со зданием сооружается шахтный колодец, из которого в грунт пробуриваются горизонтальные лучевые скважины. Они располагаются непосредственно под зданием и при откачке воды обеспечивают требуемое понижение уровня подземных вод. При этом необходимо следить за тем, чтобы осушение грунтов шло постепенно, иначе могут произойти неравномерные осадки основания, а само здание может перекоситься.

ОСЕДАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Изучение затонувших древних городов убеждает нас в том, что одна из наиболее вероятных причин затопления — это опускание земной поверхности. Движения земной поверхности, как об этом рассказано в предыдущей главе, геологи относят к компетенции тектоники (современные движения земной коры — предмет неотектоники). Считалось само собой разумеющимся, что движения земной поверхности — это природные процессы, корни которых уходят в глубины земного шара. О техническом вмешательстве человека в эти процессы не помышляли далее фантасты.

Но сравнительно недавно (лет 70 назад) ученые обнаружили, что техническая деятельность человека во многих местах приводит к довольно значительному оседанию земной поверхности. Это не целенаправленный процесс, а вредное последствие достижения других целей.

Оседание поверхности земли, вызванное технической деятельностью человека, происходит по многим причинам. Наиболее значительное оседание, охватывающее большие территории, обусловлено извлечением из земных недр воды, нефти и газа. Собственно, термин «оседание земной поверхности» сейчас относят именно к этому виду оседания.

О масштабах явления можно судить по таким примерам: в Токио оседание территории достигло 4 м, в Мехико — 8 м, в гавани Лонг-Бич (близ Лос-Анджелеса) — 9 м, в долине Сан-Хоаккн (Калифорния, США) — 8,5 м. Это «рекордные» показатели; в меньшей степени оседание зарегистрировано во многих городах и районах в разных странах: Осаке и Ниигате, Венеции и дельте р. По, Таллинне и Белозерском железорудном месторождении, Лондоне и др.

В последние десятилетия оседание земной поверхности стало широко распространенным явлением, его изучением и борьбой с ним заняты многие ученые и инженеры, оно стало международной проблемой, обсуждаемой на научных симпозиумах.

Оседание поверхности причиняет много, мягко говоря, беспокойства. В городах, вследствие неравномерности осадки, деформируются и разрушаются здания, нарушаются коммуникации. Выходят из берегов реки, затопляются прибрежные территории. В Токио, например, около 20% территории города оказалось ниже уровня моря и отгорожено от воды дамбами: уровень рек и каналов, впадающих в Токийский залив, находится сейчас выше поверхности земли. Более 2 млн. человек живут под угрозой затопления; многим районам города угрожает подтопление. В американском штате Техас, на побережье Мексиканского залива, оседание земной поверхности на 1,6–3 м приводит к увеличению площади территорий, затопляемых высокими приливами и штормовыми наводнениями. Наводнение, вызванное ураганом 1976 г., покрыло в районе Хьюстон-Галвестон территорию на 65 км² больше, чем при урагане в 1961 г. (всего 378 км²).

Первоначально, когда оседание было обнаружено, его пытались объяснить тектоническими процессами, движениями земной коры в целом. Однако довольно скоро выявились факты, опровергающие это объяснение. В Мехико из земли стали «вырастать» — на высоту до 6 м — обсадные трубы скважин и облицовка глубоких колодцев, т.е. поверхность земли опустилась относительно низа этих колодцев и скважин. Стало ясно, что происходит сжатие близкой к поверхности — на глубину десятков, максимум сотен метров — толщи грунта.

Специально организованные измерения показали, что скорость оседания, по геологическим меркам, очень велика, она на порядок и более превышает скорость природных тектонических движений. Последняя, как мы уже знаем, измеряется миллиметрами, редко несколькими сантиметрами в год: район Финского залива поднимается на 3 мм в год, восточный берег Англии погружается со скоростью 9 мм, а бухта нижнего Рейна — на 2,7 мм в год.

Скорость же оседания, о котором идет речь, достигла, например, в Мехико и Ниигате — 50 см, в Токио — 18 см в год. Поскольку к тому же происходило это преимущественно в городах, возникло предположение об искусственных, техногенных причинах оседания земной поверхности. И, наконец, когда сопоставили скорость оседания с режимом откачки подземных вод, предположение обратилось в уверенность, гипотеза стала теорией: причиной оседания является откачка подземных вод, понижение их уровня.

На рис.63 показан один из таких сопоставительных графиков, относящийся к крупному японскому городу Осаке (население более 3 млн. человек). Кривая колебания уровня подземных вод иллюстрирует историю города: 1935–1943 гг. — индустриальное развитие, возрастающее потребление воды и прогрессирующее понижение ее уровня; 1943–1947 гг. — военные разрушения и их последствия, в частности сокращение водопотребления и повышение уровня подземных вод; 1948–1963 гг. — резкий подъем промышленного развития и увеличение в связи с этим потребления воды; с 1963 г. — вступление в силу законов, ограничивающих использование подземных вод для промышленных целей. Кривая интенсивности оседания земной поверхности, как видим, закономерно следует за уровнем подземных вод, с его понижением идет оседание, с повышением уровня оседание замедляется и прекращается. Естественно, масштабы этих процессов разные, уровень подземных вод понизился на 30 м, а оседание поверхности произошло максимум на 2,8 м.

Откачка подземных вод проводится во многих районах мира и в больших количествах, главным образом, с целью водоснабжения. Понятно, что крупные очаги откачки привязаны к местам интенсивного потребления подземных вод: городам, промышленным зонам, сельскохозяйственным массивам орошения. Воду откачивают из сотен и тысяч скважин, сгруппированных на относительно небольших площадях. При откачке подземных вод происходит понижение их уровней (напоров), охватывающее в виде депрессионной воронки большие территории. Глубина депрессионных воронок достигает: в Москве и Ленинграде — 50 м, в Киеве — 60 м, в Лондоне — более 100 м, в долине Сан-Хоакин (орошение подземными водами) — до 150 м. Площади депрессионных воронок измеряются сотнями и тысячами квадратных километров, на эти же территории распространяются и мульды оседания поверхности земли: в районе Лондона — 1800 км², в Токио — 300 км². В долине Сан-Хоакин, чрезвычайно важной в экономическом отношении для США, с 20-х годов опустилось более чем на 0,3 м (при максимуме в 8,5 м) около 11 тыс. км² поверхности. Этот регион — наиболее крупная на земном шаре территория интенсивного оседания поверхности земли.

Крупные и глубокие очаги откачки подземных вод возникают и при открытой или подземной разработке полезных ископаемых, и при строительстве различных сооружений: гидроэлектростанций, метрополитенов. Цель откачки, которая в этих случаях именуется водопонижением, — осушение подземных выработок, защита их, от притока подземных вод. Глубина депрессионных воронок, например, для глубоких шахт может достигать 1000 м и более.

При строительстве глубина водопонизительных депрессионных воронок обычно не очень велика — до 10–30 м, сравнительно ограничено и их распространение. Однако и в этих случаях приходится серьезно считаться с явлением оседания земной поверхности, особенно при строительстве в городах, вблизи зданий и сооружений, не терпящих неравномерных осадок. Например, при строительстве тоннеля в Роттердаме уровень подземных вод был понижен на 15 м; в результате оседание поверхности на линии водопонизительных скважин достигло 50 см, а на расстоянии 100 м от них — до 10 см.

Связь оседания поверхности земли проявляется не только с откачкой подземных вод, но и с добычей нефти и газа.

Оседание в гавани Лонг-Бич, где площадь шириной несколько километров вдоль побережья опустилась до 9 м со скоростью до 40 см/год, обусловлено добычей нефти; оседание территории г. Ниигата со скоростью до 50 см/год — результат добычи газа, как и оседание дельты р. По, где из 900 скважин ежегодно добывали 190 млн. м³ метана.

Со значительной скоростью — до 11 см/год — опускается итальянский г. Равенна, воспетый в стихах Данте. Если скорость оседания не замедлить, через непродолжительное время воды Адриатики затопят город. Уже сейчас вода проникает в подвалы зданий; в церкви Сан-Франческо мозаичный пол лежит под метровым слоем воды. Скорость оседания поверхности возросла здесь в 30 раз после того, как рядом со старым городом возник новый промышленный центр. Предприятия забирают из скважин ежесекундно 500 л воды. Одновременно идет значительная добыча метана: с пляжа Равенны видна цепь вышек над скважинами, из которых газ по трубам подается промышленным предприятиям.

В чем же сущность явления оседания земной поверхности?

В газетах иногда пишут, что оседание земли связано с образованием подземных пустот. Это неверно. Причиной оседания поверхности земли является сжатие толщи грунта. Оно происходит вследствие уменьшения взвешивающей силы при понижении уровня (напора) воды, нефти или газа.

Для пояснения этого явления рассмотрим упрощенную модель (рис. 64). Интересующие нас свойства грунтовой толщи — ее вес и сжимаемость — изобразим в виде груза, лежащего на пружине. Поместим эту систему в сосуд с водой и вспомним закон Архимеда. На затопленный груз действует выталкивающая сила, а на пружину давит вес груза за вычетом выталкивающей силы. Теперь отольем часть воды, понизим ее уровень на глубину h_В. Груз затоплен не полностью, выталкивающая сила уменьшилась, а следовательно, сила, действующая на пружину, увеличилась. Под воздействием этой добавочной нагрузки (она равна разности выталкивающих сил до и после понижения уровня воды) пружина сжимается и груз опускается на глубину h_Д. Это и есть оседание поверхности.

Реальность, конечно, сложнее и многообразнее этой простой схемы. Процесс оседания поверхности зависит от очень многих факторов, в первую очередь — от геологического строения территории и ее гидрогеологических условий.

Ближе всего к рассмотренной модели случай, когда понижение уровня подземных вод происходит в сравнительно однородной толще грунта, заключающей в себе единый водоносный горизонт (рис.65, а). В этих условиях откачка воды приводит к образованию депрессионной воронки, внутри которой происходит осушение грунта. Вода отфильтровывается из пор и каждая грунтовая частица освобождается от взвешивающего давления воды. «Тяжелеет» весь осушенный грунт в пределах депрессионной воронки и под этой нагрузкой происходит его сжатие.

На первый взгляд, парадокс: мы выкачиваем из грунта воду, т.е. убираем вес воды, казалось бы, нагрузка должна уменьшиться, а не увеличиться. Противоречия здесь нет, весь вопрос в том, к чему приложены нагрузки. Давление воды передается только на лежащую ниже воду, это давление нейтрально по отношению к грунту (оно и называется в механике грунтов нейтральным давлением). Частицы грунта испытывают всестороннее давление окружающей их воды, но вес их от этого не увеличивается, наоборот, он уменьшается в результате воздействия выталкивающей силы. Вес же грунтовых частиц, контактирующих друг с другом, передается на лежащие ниже грунтовые частицы, это давление называется эффективным. Оно и создает нагрузку, способную уплотнять грунт.

величина добавочной нагрузки, возникающей при осушении грунта, составляет примерно 8 Н/см² на каждые 10 м понижения уровня воды. Добавочная нагрузка передается и на лежащий ниже водонасыщенный грунт, происходит его уплотнение. В результате оседает земная поверхность.

Такие случаи характерны главным образом для осушения месторождений полезных ископаемых и строительного водопонижения на небольшую глубину (до десятков метров): однородные водоносные толщи грунта редко распространяются на большие глубины.

Чаще встречается слоистое строение грунтовых толщ, при котором геологический разрез представлен чередованием водопроницаемых (например, песчаных) и водоупорных (например, глинистых) слоев (рис.65, б). В подобном случае откачка воды, нефти или газа из промежуточного проницаемого слоя приводит к уменьшению напора (давления) на непроницаемую кровлю этого слоя, что также ведет к перераспределению давлений грунта и увеличению нагрузки. Возвратимся к модели. Для этого случая ее надо выполнить таким образом, чтобы груз плотно — в виде поршня — перемещался в сосуде. В этом случае дополнительная нагрузка на пружину при снижении уровня воды возникнет не по закону Архимеда, а в результате уменьшения давления на нижний торец поршня. При уменьшении взвешивающего противодавления на 0,1 МПа (при понижении напора воды на 10 м) дополнительная нагрузка составит 10 Н/см².

По этой схеме, как видим, осушения грунта не происходит, изменяются только величины напоров и давлений. Сжатию подвергается не вся толща грунта, а только ее часть, расположенная ниже непроницаемой кровли пласта, из которого производится откачка. Такие условия характерны для, глубоких горизонтов, изолированных от лежащих выше толщ плотными непроницаемыми породами.

Однако много случаев оседания земной поверхности — в Мехико, Токио, Венеции и др. — происходит по еще более сложной схеме. Территории этих городов и их окрестностей на глубину сотен метров сложены прихотливо чередующимися песчаными, глинистыми, илистыми и подобными им грунтами. Эти отложения молоды (в геологическом понимании) и слабо уплотнены. В них нет совершенно непроницаемых слоев, глинистые и — илистые отложения хоть слабо, но водопроницаемы. При откачке подземных вод в таких случаях происходит перетекание воды (фильтрация) из одних водоносных слоев в другие сквозь разделяющие их слабопроницаемые слои (рис. 65, в).

Фильтрующая вода оказывает на частицы грунта силовое воздей-ствие подобно тому, как она оказывает сопротивление плывущему кораблю (здесь действует принцип обратимости: для силового воздействия безразлично, что движется — корабль относительно воды или вода относительно корабля — грунтовых частиц). Эта сила, гидродинамическое давление, распределена по всей толще грунта, в которой происходит фильтрация. Чем больше сопротивляется фильтрации грунт, т.е. чем менее он водопроницаем, тем большее гидродинамическое давление оказывает на грунт фильтрующая вода. Следовательно, воздействию гидродинамического давления в наибольшей степени подвержены слабопроницаемые глинистые и илистые слои, а именно они более всего сжимаемы.

В естественных условиях, когда не производится откачка подземных вод, в нижних слоях грунта вода, как правило, имеет более высокие напоры, чем в верхних. Поэтому фильтрация направлена снизу вверх, от больших напоров к меньшим. Гидродинамическое давление при этом взвешивает грунт, мешая ему уплотняться под собственным весом. При откачке подземных вод их напоры снижаются, а гидродинамическое давление уменьшается или даже приобретает противоположное направление — сверху вниз. Грунт как бы тяжелеет. Естественно, что следствием является его уплотнение и оседание поверхности. При этом может происходить осушение верхних слоев грунта, если поступление воды из внешних источников ограниченно (как в Мехико), или грунт может оставаться водонасыщенным (как в Венецианской лагуне).

Таким образом, мы убедились, что приводящая к оседанию земной поверхности дополнительная нагрузка возникает вследствие понижения уровня (напора) подземной жидкости или газа и зависит от величины этого понижения. Но само оседание поверхности, сжатие грунтовой толщи зависит не только от действующей нагрузки, но и от способности грунта к сжатию, его сжимаемости, компрессионных свойств. Не случайно оседание в Мехико произошло на 8 м, а в Лондоне — только на 20 см, хотя понижение напора подземных вод в Лондоне больше, чем в Мехико.

Наибольшую сжимаемость имеют торфянистые грунты, богатые остатками растительности, и глинистые грунты (илы, суглинки, глины). При относительно небольших нагрузках они способны к пластическому, необратимому уплотнению. Степень их сжимаемости зависит от природной плотности: чем больше их естественная плотность, тем меньше они сжимаются под дополнительной нагрузкой. В меньшей степени сжимаемы песчаные грунты, еще меньше — скальные горные породы, причем они подвержены главным образом упругому, т.е. обратимому сжатию.

Что предпринимается для борьбы с оседанием земной поверхности и ликвидации его последствий?

В первую очередь необходимы исследования процесса оседания и инженерно-геологических условий, в которых он происходит. Исследования включают, по меньшей мере, три аспекта: изучение режима подземных вод, измерение величин оседания грунтов и определение их физико-механических свойств. Базой исследований является изучение геологического строения района и его гидрогеологических условий. Подобные исследования ведутся во многих странах, в районах, подверженных оседанию земной поверхности.

На основе результатов инженерно-геологических и гидрогеологических исследований можно дать расчетный прогноз оседания земной поверхности, для которого механика грунтов дает достаточно надежное теоретическое обоснование. Достоверность прогнозов зависит главным образом от полноты результатов инженерно-геологических исследований, от соответствия применяемых для расчета схем действительным природным условиям. Например, известно, что оседание является одним из аспектов проблемы защиты Венеции, однако лишь недавно там пройдена первая глубокая исследовательская скважина. Неудивительно, что проведенный по данным этой скважины расчет оседания не совпал с фактически измеренными величинами: геологический разрез по одной скважине не может быть представительным для большого района со сложными условиями. Последующие исследования позволили уточнить результаты расчетов.

Прогноз оседания дает прежде всего ответ на вопрос: требуются ли какие-либо защитные меры? Не исключено, что практический предел сжатия грунтов близок, оседание прекратится само собой и никаких мер по его прекращению не потребуется. Однако во многих случаях прогнозы не дают такого ответа и ставится вопрос о защитных мерах.

Для прекращения оседания поверхности требуется устранить его причину, т.е. прекратить понижение уровня (напора) подземной жидкости или газа. Этого можно достичь разными путями. Во-первых, прекращением или значительным сокращением откачки подземных вод. Это уже сделано в Мехико, Венеции и некоторых японских городах. Водоснабжение, источником которого были подземные воды, переводится на внешние источники (реки, водохранилища, подземные водозаборы в удаленных безопасных местах), от которых к местам потребления прокладываются водопроводные магистрали. Во-вторых, в подходящих геологических условиях, когда вода, нефть или газ извлекаются из напорного пласта, имеющего непроницаемую «крышу», напор в пласте может быть увеличен без прекращения откачки: в пласт через скважины закачивают воду или воздух, выжимая ими полезный продукт. Таким способом ведут добычу нефти, по причинам, часто не связанным с проблемой оседания поверхности, но есть примеры его использования и для борьбы с оседанием.

Прекращение понижения пли даже повышение уровня (напора) подземной жидкости или газа способно прекратить оседание поверхности. Вновь поднять поверхность до прежнего положения при этом нельзя, так как оседание происходит главным образом за счет пластического необратимого сжатия грунта, доля упругого сжатия обычно мала. Тем не менее с восстановлением уровней подземных вод следует обращаться осторожно. Так, в Японии, в районе Кабасаки, быстрое восстановление уровня в результате прекращения откачки привело к частичному подъему поверхности, переувлажнению грунтов, возобновлению источников. Здесь пришли к выводу, что целесообразно продолжать откачку подземных вод в ограниченных размерах, гарантирующих предотвращение и тех и других вредных последствий.

Меры по ликвидации последствий оседания разнообразны и зависят от характера этих последствий. Например, территории, которым вследствие оседания грозит затопление морскими или речными водами, ограждают дамбами либо «поднимают» поверхность подсыпкой или намывом слоя грунта. Здания и сооружения, деформированные в результате осадок, укрепляют дополнительными связями, выправляют их наклоны, перекладывают поврежденные коммуникации и т.д.

Все сказанное относится к тем случаям, когда оседание поверхности уже свершилось и может продолжаться. Иной подход должен быть в случаях нового строительства. Здесь возможность оседания поверхности и его последствий должна рассматриваться заранее, на равных правах с другими аспектами строительства. И если выявляется, что оседание поверхности, например при осушении подземных строительных выработок, может привести к неблагоприятным последствиям, лучшим средством борьбы может быть профилактика.

Средства профилактики диктуются постановкой задачи: не допустить понижения уровня подземных вод. Одним из таких средств является противофильтрационная защита подземных выработок (котлованов, тоннелей и пр.) от притока воды. Вместо откачки воды выработки ограждаются противофильтрационными завесами. В этом случае режим подземных вод не нарушается, снижения их уровня за пределами осушаемой выработки не происходит. Следовательно, окружающей территории и сооружениям на ней не грозит оседание поверхности. Современная техника располагает способами создания противофильтрационных завес практически в любых грунтах — от плывунных песков до скалы.

Когда причины оседания стали ясны, это отразилось не только на технической, но и на юридической стороне этой проблемы. Если раньше ущерб, причиняемый оседанием, не связывали с ответственностью тех, кто откачивал подземные воды, нефть или газ, то в последние десятилетия их стали привлекать к ответственности. Так, в США с конца 50-х годов прошло несколько судебных процессов на эту тему. На процессе «Соединенные Штаты против Анкор Ойл» нефтяная компания была признана ответственной за ущерб, причиненный оседанием морскому порту Лонг-Бич. На процессе «Город Лос-Анджелес против Стандард Ойл» признана ответственность компании за ущерб более 12 млн. долларов, вызванный аварией плотины Болдуин Хиллс. Разрушение этой плотины и наводнение при катастрофическом опорожнении водохранилища привело к гибели людей и ущербу более чем 3700 хозяйств. Причиной катастрофы было оседание земли, вызванное добычей нефти на прилегающей территории.

До сих пор мы рассматривали этот вид оседания как вредный процесс. Но одно из правил изобретательства — обрати вред на пользу — не обошло и это явление. Действительно, если понижение напора или уровня подземных вод приводит к сжатию грунтов, почему бы не использовать его там, где это необходимо, скажем при строительстве на слабых грунтах?

В 1935 г. советский инженер М.Е. Кнорре изобрел способ уплотнения оснований под сооружения, сущность которого — в понижении уровня подземных вод путем их откачки из скважин. (Обратите внимание на дату, тогда еще литературных сведений о «вредном» оседании не было, так что, пожалуй, правильнее говорить не об обращении вреда на пользу, а о широком «вредном» распространении полезного эффекта.) Однако полезное применение этого эффекта ограничивается, по-видимому, единичными случаями, тогда как вредное его воздействие удостоилось международных симпозиумов.

Один из примеров возможности полезного применения этого эффекта (пока на стадии предложения) относится к задаче сохранения падающей Пизанской башни. Профессор Э. Нонвейллер (Загребский университет, Югославия) иллюстрирует этим примером теорию дренажного уплотнения грунтов.

Колокольня в Пизе (Италия) известна своим необычайно большим наклоном. Башню начали строить в 1173 г. и, возведя 4 этажа, строительство прекратили. В это время башня уже заметно осела и наклонилась. Почти через 100 лет, в 1272 г., строительство возобновили и вскоре вновь остановили, закончив седьмой этаж. Еще через 90 лет надстроили восьмой этаж с колокольным шатром, закончив строительство в 1370 г. На каждой стадии строители стремились выправить наклон башни, возведя очередные этажи вертикально. В результате ось башни получилась в виде ломаной линии, ее секции имеют разный наклон. В 1974 г. верх башни на высоте более 58 м отклонился от вертикали на 5,34°, причем скорость продолжающегося наклона составляла 7,5 угловых минут за этот год. Считают, что в предстоящие 50 лет, если ничего не будет предпринято, башня потеряет стабильность и упадет.

В основании башни лежат недавно сформировавшиеся грунты (во время Римской империи здесь было море): до глубины около 10 м — слабые пески и илы, под ними — 15-метровый слой пластичной глины, 2–3-метровый слой песка, 13-метровый пласт глины и затем плотный песок. В результате наклона башни нагрузка на грунт распределена неравномерно, увеличиваясь в сторону наклона. Это следствие наклона является одновременно причиной продолжающегося «падения» башни: увеличивающееся с одной стороны давление дополнительно уплотняет грунт, тогда как с противоположной стороны грунт остается менее уплотненным. Тенденция к продолжающемуся наклону может быть ликвидирована, если с наименее нагруженной стороны башни уплотнить и осадить грунт дополнительной нагрузкой.

Эта дополнительная нагрузка может быть создана, например, временной насыпью грунта или железобетонной плитой, притянутой к поверхности анкерами (последний вариант предложил К. Федер из Австрии)..

Дополнительную нагрузку можно создать и понижением уровня подземных вод. С этой целью профессор Э. Нонвейллер предлагает устроить систему дренажных скважин, размещенных в основании башни со стороны, обратной наклону, и с помощью вакуума уменьшать давление воды в порах глинистого пласта на глубине от 10 до 25 м (рис.66). Преимущество этого способа в том, что процессом консолидации грунта и его осадки можно легко управлять, изменяя величину вакуума в скважинах. В частности, во внешних скважинах целесообразно создавать более глубокий вакуум, чем во внутренних. Расчетом было установлено, что в течение года угол наклона башни можно уменьшить на 0,24°, т.е. башня может быть приведена в состояние, в каком она была 160 лет назад. Последующее регулируемое действие вакуумного дренажа позволит добиться прекращения «падения» башни, т.е. стабилизировать угол ее наклона.

Помимо рассмотренной, существует еще много причин оседания поверхности земли. В ряде городов выделяют более 20 генетических типов вертикальных смещений, основную роль среди которых играют техногенные факторы. К ним относятся статические и динамические нагрузки на грунты от веса сооружений, вибрации оборудования и транспорта. Чаще всего обусловленные ими оседания поверхности имеют локальный характер, т.е. относятся к самим сооружениям и ближайшей к ним территории, и к проблемам затопления имеют отдаленное отношение. Но встречаются и иные ситуации: например, среди причин погружения венецианской лагуны рассматривалось также влияние нагрузок от промышленных предприятий на ее берегах.

Большие площади могут занимать территории, поверхность которых оседает под воздействием подземных выработок. Проходка подземных выработок оказывает влияние на расположенную над ними толщу грунтов, изменяя их напряженное состояние и часто приводя их в движение. Особенно это проявляется на территориях угольных месторождений, разрабатываемых подземным способом с обрушением горных пород в выработанное пространство. Сдвижение и деформация грунтов в массиве достигают поверхности и образуют мульды проседания, осложняющие наземное строительство на территориях угольных бассейнов.

Эффективное средство предупреждения этих опасных последствий — выемка угля с последующей закладкой выработанного пространства. Для проведения этих работ создаются комплексы породозакладочных машин. Применяются и другие инженерные решения, но их сущность аналогична: заменить выработанный из земли материал другой опорой, препятствующей деформации лежащей выше толщи пород. Эта проблема актуальна для многих стран мира, большой опыт по ней накоплен в СССР и других промышленно развитых странах — Англии, США и др.

Оседания поверхности земли часто связаны с широко распространенными просадочными явлениями. Просадке — быстрому оседанию поверхности на глубину до нескольких метров — подвержены при водонасыщении лессовые и подобные им грунты, мощные толщи которых занимают обширные территории на юге европейской части Союза, в Средней Азии, во многих странах на разных континентах.

Строительство и эксплуатация зданий и сооружений на просадочных грунтах являются предметом забот большого раздела инженерной геологии, строительной науки и практики. Решение этой проблемы идет разными путями: ликвидацией причины просадок, т.е. предотвращением поступления воды в грунт, преобразованием свойств грунтов с целью ликвидации их просадочности, проведением просадки перед строительством.

Оседание поверхности земли происходит еще по ряду причин и в разных условиях. Карстовые пещеры в известняках являются естественной причиной провалов поверхности. Разнообразные деформации поверхности земли происходят в зоне вечной мерзлоты.

Все эти и подобные им явления часто происходят не по естественным природным причинам, а в связи с деятельностью человека. В инженерной геологии существует понятие техногенез — геологическая деятельность технически вооруженного человека. Эта деятельность включает переработку огромных масс горных пород при добыче полезных ископаемых и строительстве, преобразование рельефа земной поверхности, изменение режима поверхностных и подземных вод и многое другое. Изменяя природу, человек не только достигает тех конкретных целей, к которым он стремится, но вызывает и косвенные, часто не учтенные последствия. Оседания поверхности земли — это чаще всего именно такие косвенные последствия, вредные и иногда опасные для людей. Научиться их предвидеть и учитывать в своей деятельности — одна из важных задач современной науки и техники.

ГОРОДА ПОД ЗЕМЛЕЙ

Город, особенно крупный современный город, — это не только здания, улицы и все остальное, что мы видим на поверхности. Это еще и большое подземное хозяйство — от подвалов зданий до тоннелей к станций метро.

Рост численности населения, проблемы обеспечения его жильем, работой, многообразным обслуживанием, нарастающее насыщение городов транспортом привело к росту городов по всем координатам: к вширь, и ввысь, и вглубь. Не одновременно, а именно в этой последовательности, потому что рост вглубь, освоение подземного пространства наиболее сложно и дорого. Но необходимо. Основные причины этой необходимости — возрастающий дефицит свободных территорий, особенно в центральных районах крупнейших городов, где одновременно с решением градостроительных проблем должны быть сохранены памятники культуры и искусства; транспортные проблемы; оздоровление городской среды; стремление сделать города красивыми и удобными для жизни.

Во многих наших городах и в городах других стран построены и функционируют многочисленные подземные сооружения. Но широкое, комплексное освоение подземного пространства по существу только начинается.

В подземном пространстве крупных городов размещают транспортные сооружения, культурно-бытовые учреждения, складские помещения, инженерные сети, промышленные и энергетические объекты и др. Эти объекты должны быть увязаны друг с другом, с наземными сооружениями, причем нельзя забывать и последующие этапы развития. Задача сложная, а с учетом особенностей подземных условий — сложная вдвойне.

Сооружения в городах располагаются на глубинах до сотни метров. Чем ближе к поверхности земли, тем более насыщено подземное пространство различными сооружениями (рис.67). На глубинах до 20–40 м, особенно в центрах крупных городов, создаются многоярусные — 10–12 этажей — подземные комплексы.

Подземная среда — это прежде всего горные породы, грунты (эти термины — синонимы, первый из них употребляют геологи и горняки, второй — строители). Но это также и вода, подземная вода, заполняющая поры и трещины в породах. Поэтому подземные сооружения — это одновременно и «подводные» сооружения.

Подземные воды ставят проблемы на всех этапах освоения подземного пространства: и при строительстве, и при эксплуатации сооружений.

Для того чтобы разместить под землей сооружение, требуется прежде всего освободить для него пространство, т.е. произвести выемку грунта. Как и в горном деле, в строительстве применяют две системы разработки грунта: открытую и закрытую. Первая из них — это разработка котлованов, траншей и других выемок с поверхности земли. Выемки открыты по всей своей площади. При закрытой системе на поверхность выходят только входные выработки — шахты, тоннели, основная же часть освобождаемого под сооружения пространства располагается под землей и разрабатывается подземным способом.

Заглубляясь ниже уровня подземных вод, выемка, так сказать, вызывает приток воды на себя. Вытекая из грунта в выемку, вода может производить разрушительную работу. Она способна своим гидродинамическим воздействием увлекать с собой грунт, приводя его в плывунное состояние, в результате чего происходит оплывание нижней части откосов и обрушение остальной расположенной выше части. Выходя из дна котлована, вода взвешивает грунт, разрыхляет его и может сделать непригодным в качестве основания сооружения. Она ухудшает и осложняет производство земляных, монтажных и других строительных работ в котловане. На многое еще способна вода.

Поэтому откачка воды непосредственно из котлована (открытый водоотлив) применяется либо в таких случаях, когда некоторые нарушения допустимы (например, в крупных котлованах на свободных территориях можно допустить оплывание откосов в каких-то размерах), либо в таких грунтовых условиях, которые не создают осложнений. Это грунты, устойчивые к воздействию текущей воды: галечники, скальные породы. Но и здесь возникают свои сложности. В скальных породах, например, вода движется в трещинах, которые могут быть заполнены рыхлым материалом. В результате размыва этого заполнителя сечение трещин увеличивается, приток воды может возрасти и справиться с ним будет трудно. Словом, лучше бы не допускать воду в котлованы.

При закрытой, подземной разработке строительных выработок приток в них воды вызывает еще большие осложнения. Вынос водой грунта — при значительном его объеме — чреват аварийными последствиями и для самой выработки, и для расположенных над ней, на поверхности земли, сооружений. Вынос грунта в небольших размерах, его подвижки могут привести к деформациям уже готовой части подземного сооружения, например обделки тоннеля. Да и поступление чистой воды в стесненную подземную выработку создает дополнительные трудности в проведении строительных работ. Следовательно, и в подземную выработку, вернее, особенно в подземную выработку лучше бы воду не допускать.

В этом направлении развивалась и продолжает развиваться техника борьбы с подземными водами. Здесь имеются три пути: первый — перехватить, откачать воду за пределами выработки, второй — отжать воду от выработки и третий — поставить воде преграду.

Первый путь — это водопонижение, искусственное понижение уровня подземных вод. Истоки этого метода идут от колодцев, а затем буровых скважин, из которых издревле добывали воду. При откачке воды уровень ее в скважине или колодце понижается, вызывая приток воды из окружающего водоносного грунта. Уровень воды в грунте также понижается с уклоном в направлении течения, и вокруг скважины образуется депрессионная воронка. Если откачку воды ведут из группы скважин, они взаимодействуют друг с другом и их депрессионные воронки объединяются, образуя общую депрессию уровня подземной воды. В этой осушенной зоне (над депрессионной воронкой) располагается выработка в грунте. Водопонизительные скважины размещают, как правило, по контуру осушаемой выработки, устанавливают в них насосы, объединяют общим трубопроводом для сброса откачиваемой воды и линией электроснабжения. Это уже водопонизительная система. Крупные водопонизительные системы, например на котлованах гидроэлектростанций или на карьерах полезных ископаемых, состоят из десятков, а то и сотен скважин, из которых ведется откачка непрерывно в течение нескольких лет.

Помимо скважин с размещенными в них погружными насосами при водопонижении используют и другие специально созданные для этого технические средства. Прежде всего это хорошо известные строителям и горнякам легкие иглофильтровые установки. Иглофильтр — полуторадюймовая труба длиной обычно 6 м с фильтровым звеном длиной 1 м на нижнем конце. С помощью гидроразмыва иглофильтры погружают в грунт на расстоянии 0,75–1,5 м один от другого, присоединяют их (до 100 штук в одном комплекте) к всасывающему трубопроводу, к которому подключен насос, и иглофильтровая установка готова к действию. За счет вакуума, развиваемого насосом, она понижает уровень подземных вод на 4–5 м, иногда немного больше. Если требуется большее понижение уровня, иглофильтровые установки можно размещать последовательно в нескольких ярусах.

И скважины, и иглофильтры справляются со своими задачами в хорошо водопроницаемых, преимущественно песчаных грунтах. Слабопроницаемые грунты (тонкозернистые и глинистые пески, супеси, суглинки) плохо и медленно отдают воду. А осушать их при строительстве особенно необходимо — каждый может себе представить, что такое раскисший глинистый грунт, по которому ни проехать, ни пройти.

Одно из эффективных средств осушения слабопроницаемых грунтов — их вакуумирование. В полости фильтров (в скважинах или иглофильтрах) создают вакуум, распространяющийся на прилегающий к ним грунт. В этом случае к силе гравитации добавляется атмосферное давление, выжимающее воду из пор грунта в фильтры. Вода может и остаться в грунте, но она переходит в капиллярное состояние, с давлением ниже атмосферного, обжимая скелет грунта и упрочняя его. Для вакуумирования грунта используют эжекторные иглофильтры и иглофильтровые установки вакуумного водопонижения.

Этот краткий обзор средств водопонижения создает впечатление, что они могут справиться со своей задачей практически в любых гидрогеологических условиях. И это действительно так. Но это не значит, что здесь все в порядке и беспокоиться не о чем. Посмотрим немного внимательнее.

Основные средства водопонижения — вертикальные скважины — ничем не отличаются от скважин, предназначенных для водоснабжения. Но цели этих процессов противоположны. При водоснабжении требуется получить максимум количества воды (дебит) при минимальном понижении уровня подземных вод. При водопонижении, наоборот, требуется понизить уровень при минимальном расходе воды. Лишняя вода — это дополнительные бесполезные затраты. Для целей водоснабжения скважины стремятся заглубить в наиболее водопроницаемые слои. При водопонижении такой подход ведет к лишнему расходу откачиваемой воды. Но заглублять скважины приходится, чтобы обеспечить достаточную площадь входа воды в фильтр. Очевидно, что для водопонижения более рационально развивать водоприемники не по вертикали, а по горизонтали, ограничивая их глубину, т.е. переходить от вертикальных скважин к системам горизонтальных фильтров.

Широко распространенные иглофильтровые установки с вертикальными фильтрами представляют собой, по существу, горизонтальные дрены, выполненные в виде цепочки часто расположенных коротких фильтровых звеньев. Но длина всех трубопроводов иглофильтровой установки в 10–12 раз больше длины самой установки. Это — следствие вертикального расположения фильтров.

Горизонтальные фильтры нужны для водопонижения не только по соображениям экономики. Часто встречаются гидрогеологические условия, в которых вертикальные водоприемники не могут дать требуемого эффекта осушения грунтов. К ним относятся, в частности, случаи, когда котлован полностью перерезает водоносный пласт и достигает водоупорного слоя (такие выработки называют совершенными). Здесь требуется полный перехват потока подземных вод, а это может быть сделано только горизонтальной дреной, лежащей на водоупоре, в подошве водоносного пласта.

Системы с горизонтальными фильтрами существуют, и предпринимаются усилия для применения их с целью водопонижения. Прежде всего это лучевые водозаборы, каждый из которых представляет собой шахту с продавленными из нее в грунт по радиальным направлениям горизонтальными трубами-фильтрами. Они обладают большой водозахватной способностью, экономичны в эксплуатации. Но недостатком их являются шахты, сооружение которых плохо увязывается с мобильным характером строительного водопонижения. Для ликвидации этого недостатка создают конструкции малых лучевых колодцев, вертикальным стеолом которых должна служить не шахта, а буровая скважина.

Такие конструкции разработаны в ВИОГЕМе в Белгороде (лучевой колодец с буровым автоматом для прокладки фильтров) и в институте Гидроспецпроект в Москве (лучевой колодец и горизонтальные линейные дрены с телескопическими фильтрами). В этих конструкциях применяется буровой принцип прокладки горизонтальных дрен — в первом случае механическое бурение, во втором — гидравлическое, поэтому фильтры могут быть расположены практически на любой необходимой глубине. По принципу прокалываний грунтов — с использованием пневматического пробойника, который, как локомотив, тянет за собой фильтр, — в ПНИИИСе (Москва) разработана технология прокладки горизонтальных фильтров.

Существуют и другие принципы прокладки горизонтальных фильтров. В Голландии, например, гибкие пластмассовые фильтры укладывают на дно узкой траншеи, глубиной до 8 м, проходка которой вместе с укладкой фильтра производится многоковшовым экскаватором. Конец фильтра выводится на поверхность и присоединяется к всасывающему патрубку насоса.

Эта система заменяет иглофильтровые установки.

Мы затронули только одну из задач совершенствования техники всдопонижения — задачу перехода от вертикальных водоприемников к горизонтальным. Разумеется, ею не исчерпываются потребности этой области строительной технологии. Ученым и инженерам остается еще обширное поле деятельности.

Второй путь борьбы с водой при подземном строительстве базируется на отжатии воды от выработки. Этот путь, можно считать, уже пройден и является достоянием истории строительства. Речь идет о кессонном способе строительства подземных сооружений. При этом способе устье подземной выработки, например вход в шахту, плотно герметизируется и в выработку нагнетают сжатый воздух. Когда давление его становится равным гидростатическому давлению подземной воды, она перестает течь в выработку и отжимается от нее. Все работы в выработке ведутся при повышенном давлении воздуха. Сообщение с поверхностью — вход и выход — осуществляется через шлюзовой аппарат, обеспечивающий, постепенность изменения давления. В противном случае при резком изменении давления, особенно при его снижении (декомпрессии), человеческому организму грозит беда — кессонная болезнь. Вредность работы при повышенном давлении — одна из главных причин отмирания этого способа работ, в последние десятилетия уже почти не применяемого и используемого только в исключительных случаях.

Однако принцип отжатия воды воздухом не отошел в историю, его применяют при работах, не требующих присутствия людей в зоне повышенного давления. С помощью сжатого воздуха интенсифицируют процесс водопонижения: в водоносный пласт, из которого водопонизительные скважины откачивают воду, по другим скважинам нагнетает сжатый воздух, принудительно отжимая воду к водопонизительным скважинам. Это ускоряет процесс осушения слабопроницаемых и плохо отдающих воду грунтов, дает возможность большего понижения уровня подземных вод. В замкнутых участках водоносного пласта (например, ограждаемых противофильтационными завесами) сжатым воздухом в комплексе с водопонижением можно удалить всю воду, полностью осушив грунты. Таким способом обеспечена проходка тоннелей на некоторых участках московского метрополитена.

Третий путь борьбы с подземными водами — поставить воде преграду на пути к выработке. Преграды — это противофильтрационные завесы, разнообразными видами которых располагает арсенал противофильтрационной обороны.

Большой класс составляют завесь:- инъекционного типа. Принцип их создания: по трассе завесы на необходимую глубину бурят скважины и через них нагнетают растворы, заполняющие пустоты в породе и затвердевающие в них. В разных геологических условиях этот принцип получает разное воплощение и по технологии работ, и по материалам заполнения, и по техническим средствам.

В скальных породах для тампонирования трещин проводят цементацию, т.е. в скважины нагнетают цементные растворы (суспензии). Этот метод имеет уже более чем вековую историю, он широко применяется в гидротехническом строительстве для создания противофильтрационных завес в скальных основаниях плотин, в шахтном строительстве.

Технология цементации имеет ряд особенностей. Цементационные скважины бурят не сразу на полную глубину, а нисходящими зонами длиной по несколько метров. Каждую зону перед цементацией подвергают гидравлическому опробованию, по результатам которого назначают режим цементации. В понятие режима входят Консистенция (густота) раствора, порядок ее изменения в процессе нагнетания, величина давления и другие параметры. Цементационные скважины подразделяются на очереди по принципу сближения скважин. Эта постепенность сооружения завесы с испытанием водопроницаемости каждой очередной зоны (а это контроль эффекта от предыдущей цементации соседних зон и скважин) обеспечивает получение плотного тела завесы. Но это не значит, что завеса получается совершенно водонепроницаемой. Ее остаточная проницаемость обусловлена главным образом мелкими трещинами в породе, в которые цементный раствор не проникает или распространяется по ним на малое расстояние от скважин. По крупным же трещинам цементные растворы могут растекаться на десятки, а то и сотни метров, что приводит к излишним затратам материалов и труда. Последнее обстоятельство является одной из основных причин довольно высокой стоимости метода. Тем не менее цементация является основным методом противофильтрационной защиты в трещиноватых скальных породах.

Помимо цементации в скальных породах применяют (реже) битуминизацию, т.е. нагнетание в породу через скважины горячего расплавленного битума или холодной битумной эмульсии.

Завесы инъекционного типа в рыхлых грунтах до недавнего времени строить не умели: скважины в них неустойчивы, цемент в мелкие поры песчаных грунтов не проникает. С 50–60-х годов начал использоваться новый способ создания глубоких противофильтрационных завес в рыхлых грунтах, разработанный во Франции. Этот способ сложнее цементации скальных пород, и суть его заключается в следующем. В скважину, пробуренную на полную глубину, устанавливают трубу с боковыми отверстиями по всей ее длине. Отверстия перекрыты манжетами — отрезками резиновой трубки, выполняющими роль клапана, позволяющего выходить раствору из трубы. Пространство между трубой с манжетами и стенками скважины заполняют цементно-глинистым раствором, создавая обойму. После схватывания этой обоймы внутрь трубы с манжетами опускают тампон, устанавливают его на уровне отверстий, перекрытых одной манжетой, и нагнетают инъекционный. раствор. Последний при определенном давлении отжимает манжету, разрывает обойму и проникает в грунт. Через каждую манжету нагнетают ограниченную (расчетную) порцию раствора.

Успех этой технологии обеспечивается также и применением] разнообразной рецептуры растворов: глиноцементных, глинистых, с химическими реагентами. Каждый состав раствора предназначен для уплотнения определенного вида, грунта. Технология манжетной Инъекции позволяет устанавливать наиболее рациональный порядок уплотнения грунта, начиная с более проницаемых слоев и кончая слабопроницаемыми.

Совершенно иной принцип лежит в основе создания мерзлотных завес. Здесь в грунт ничего не вводят, все остается на месте: и грунтовые частицы, и вода в порах между ними. Но воду по трассе противофильтрационной завесы замораживают и лед преграждает путь потоку подземной воды. Казалось бы, идеальный вариант, никаких материальных затрат, кроме энергии перевода воды из жидкого состояния в твердое. Но именно эти затраты столь значительны, что мерзлотные завесы — одни из самых дорогостоящих. Вместе с тем этот метод почти независим от геологических условий, он может применяться и в скальных породах, и в песчаных и глинистых грунтах. Именно поэтому его продолжают широко применять в городском подземном строительстве, особенно при строительстве метрополитенов.

В 60–70-е годы в практику строительства интенсивно входит новый метод, получивший название «стена в грунте». Это — метод не только противофильтрационный защиты выработок, но и строительства самих подземных сооружений.

Суть метода проста: в грунте делают глубокую узкую траншею с вертикальными гранями и заполняют ее материалом с нужными свойствами, получая стену в грунте. Главная задача при этом — обеспечение устойчивости граней траншеи при ее выемке и заполнении. Она решается использованием глинистого раствора, заполняющего траншею в течение всего процесса возведения стены.

Бурение скважин с промывкой глинистым раствором, обеспечивающим устойчивость стенок скважин практически в любых породах, известно давно. Давно освоили и бетонирование таких скважин для устройства свай. Но лишь в 50-х годах австрийский инженер К. Федер догадался сдвинуть эти сваи вплотную и построить вместе со специалистами итальянской строительной фирмы ИКОС первую бетоносвайную стену в грунте. В дальнейшем противофильтрационные стены-завесы, состоящие из ряда секущихся (с перекрытием сечения) свай диаметром 600–800 мм, были построены в разных странах, в том числе и в СССР.

Сооружение таких завес производится с помощью ударного бурового станка. Преимущество этой технологии — в возможности сооружать завесы в тяжелых грунтовых условиях, например в галечниках. Но производительность этого способа довольно низкая, а стоимость высокая. Кроме того, стена-завеса имеет много швов, что может отразиться на качестве завесы. Поэтому естественным был переход, во-первых, от свай к траншеям, а во-вторых, от ударного бурового станка к механизмам с большей производительностью.

Установив на опыте, что глинистый раствор обеспечивает устойчивость не только цилиндрических _ч стенок скважин, но и плоских вертикальных граней траншей, разные организации и фирмы во многих странах стали применять для проходки траншей самое разнообразное оборудование: вращательные буровые станки на движущейся вдоль траншеи платформе, одноковшовые и многоковшовые экскаваторы, грейферы — словом, любое имевшееся оборудование, способное извлечь грунт из траншеи. И, наконец, разработали специализированное оборудование для проходки узких глубоких траншей, работающее по принципу либо бурения, либо копания. Одновременно разрабатывались и разные методы заполнения траншей различными материалами — бетоном, глиной, заглинизированным при проходке траншеи грунтом. Пионером этих работ в СССР был трест Гидроспецстрой.

Одновременно с разработкой технологии и средств механизации был сделан еще один решающий шаг: расширение функционального назначения стен в грунте. Они стали не только противофильтрационными завесами, но и несущими конструкциями — стенами подземных сооружений и фундаментами (рис.68).

В 70-х годах несущие стены в грунте, одновременно выполняющие противофильтрационные функции, по широте использования в городском строительстве обогнали чисто противофильтрационные завесы этого типа.

Все рассказанное выше позволяет получить представление о достаточно больших возможностях современной техники, способной преодолеть трудности борьбы с водой при подземном строительстве. Но строительство — это только начало взаимоотношений с подземными водами, они продолжаются при эксплуатации готовых сооружений. Сюда входят задачи гидроизоляции подземных сооружений, создания и многолетней работы дренажных систем. С этими задачами техника также успешно справляется. Ведь, находясь, например, в метро, мало кто имеет повод задуматься над тем, что он спустился не только под землю, но и под воду.