8 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Алюминиевый завод Долгаррог в долине реки Конуэй в северном Уэльсе снабжается энергией от расположенной неподалеку гидроэлектростанции, которая использует воду реки Эфон-Порт-Ллвид — притока реки Конуэй. Постоянное течение Эфон-Порт-Ллвид обеспечивалось двумя маленькими озерами, находящимися выше по долине. Верхнее озеро сдерживала плотина Эйджайо. Длина этой бетонной плотины, построенной в 1911 г., составляла 1075 м, максимальная высота 10 м. Породы фундамента представлены крепкими водонепроницаемыми сланцами и вулканическими образованиями, но плотина была заложена над ними в мощной голубой ледниковой глине, покрывающей склоны холмов. Маломощные пласты торфа и выветрелой глины были удалены, и основание плотины располагалось в голубой глине на глубине, местами не превышающей одного метра. В 4 км вниз по течению в другом водохранилище — Коудти, меньшем по размеру, воду удерживала плотина иного типа. Это была земляная плотина, построенная в 1924 г. из местной ледниковой морены с тонкой бетонной диафрагмой, высота ее составляла 11 м, а общая длина 240 м.
Плотина Эйджайо стояла почти 15 лет. Внезапно 2 ноября 1925 г. в 9 ч 15 мин вечера на одном небольшом участке из-под плотины стала просачиваться, а затем и вырываться вода, она быстро промыла канал шириной 20 м и глубиной 3 м под сплошной бетонной стеной плотины. Полагают, что скорость вытекания воды из озера Эйджайо составила около 400 м3 в секунду. Вода устремилась вниз по долине, быстро заполнила расположенное ниже водохранилище Коудти и вскоре перелилась через его плотину, водосброс которой был сконструирован с учетом нормальных средних паводков и оказался практически бесполезным. Как только вода перелилась через плотину водохранилища Коудти, она быстро размыла земляную насыпь, и неукрепленная средняя часть плотины обрушилась. В результате все 30 000 м3 воды почти мгновенно излились из водохранилища Коудти и на деревню Долгаррог внезапно обрушилась огромнейшая волна. К счастью, в этот вечер здесь показывали кинофильм и почти все население собралось в кинотеатре, расположенном на возвышенности. Хотя деревне был нанесен огромный материальный ущерб, погибло всего 16 человек.
Хотя деревня Долгаррог и была разрушена паводковой волной, возникшей при обрушении плотины Коудти, тем не менее плотина эта по своей конструкции удовлетворяла всем требованиям; позднее она была возведена заново на том же самом месте. Основной причиной катастрофы и гибели деревни была плотина Эйджайо, подмыв и обрушение которой произошли из-за того, что ее фундамент был недостаточно прочным. Не предпринималось никаких попыток скрепить эту плотину с коренной породой, залегающей под ледниковыми отложениями. Фундамент плотины был заглублен лишь примерно на один метр в ледниковую глину; при этом совершенно не учитывался тот факт, что верхние слои ее были выветрелыми и встречались отдельные валуны, причем некоторые из них оказались как раз под точкой размыва. Кроме того, лето 1925 г. было очень сухим, и глина под плотиной стала еще более рыхлой, поскольку при обнажении ложа озера образовались трещины усыхания. Сочетание выветривания, наличия валунов и усадочных трещин позволило воде проникнуть через глину под плотиной и легко размыть ее.
В свете современных знаний о глинах обрушение плотины Эйджайо вполне можно было предсказать, однако ее строители не имели такого опыта, и их сбивала с толку кажущаяся водонепроницаемость ледниковой глины.
В мире известны сотни случаев обрушений плотин, причем каждое из них сопровождалось наводнением. Иногда наводнение было просто развлекательным зрелищем, но подчас оно оборачивалось катастрофой. Большинство обрушений, в том числе и плотин Саут-Форк и Коудти, были вызваны тем, что вода перелилась через край плотины из-за отсутствия достаточно хорошего водосброса. Второй основной причиной служит внутреннее обрушение земляных плотин. Обе эти причины связаны с конструкцией плотин, а геологические особенности занимают в этом ряду лишь третье место,
До некоторой степени очередность причин при обрушении плотин отражает исторический ход их строительства: сначала инженерам стала ясна роль хорошего фундамента, а затем они поняли механику глинистых грунтов внутри тела плотины. Тем не менее знание геологии фундаментов плотин тоже очень важно, поскольку силы, удерживающие воду в крупном водохранилище, значительно выше сил, возникающих при любом другом виде гражданского строительства. Во многих районах геология исключает возможность постройки определенных типов плотин, в других же местах их можно возводить лишь после очень длительного и дорогостоящего изучения и специальной обработки породы на огромных площадях.
Массивный, невыветрелый, слаботрещиноватый гранит является идеальным фундаментом для плотин самой смелой конструкции. Известно также, что мощная однородная глина не может выдерживать напряжения, возникающие в бетонной плотине, но на такой глине способна устоять земляная плотина при условии, что будут приняты меры по контролю порового давления и консолидации. Эти две ситуации сходны: и в том, и в другом случае проводится механический анализ однородной породы, полученные при этом показатели можно применять в ходе конструирования плотин. Различные проблемы возникают в том случае, если изменения геологических условий настолько непредсказуемы, что выполнить количественный анализ становится крайне трудно. Жилы каолиновой глины в граните, а также разломы и выветре-лые зоны в любой породе представляют собой основные зоны ослабления структур, обычно крайне плохо поддающиеся расчету. Осадочная слоистость и прослойки сланца, метаморфизм, кливаж и сланцеватость, трещины, образовавшиеся в результате снятия нагрузки или тектонических поднятий, могут иметь четкую структуру. Тем не менее их также необходимо детально исследовать, поскольку они могут сыграть важную роль при выборе конструкции плотины.
Со всеми этими проблемами люди сталкивались при сооружении различных плотин, и если возможность опасных ситуаций была предсказана своевременно, плотину в данном месте не возводили. Если же опасность выявлялась, когда плотина была уже построена, то нередко требовались большие дополнительные расходы на ремонтные работы.
Плотина Бузей близ города Эпиналь на востоке Франции была построена в 1881 г., но фундамент ее был плохим, так как она возводилась на трещиноватом водопроницаемом песчанике. В 1895 г. плотина обрушилась и в паводковой волне утонуло 80 человек. Хотя основной причиной катастрофы было обрушение конструкции, фундамент из рыхлого песчаника, быстро размытый, также сыграл свою пагубную роль.
Плотина Остин в Техасе была возведена в 1894 г., а шесть лет спустя обрушилась. Плотина была заложена на почти горизонтально напластованных известняках, глинах и сланцах, причем все они были трещиноватыми. Высота этой каменной плотины составляла всего 20 м, но она располагалась на дне долины и не имела отсекающего рва. Иногда во время сильных дождей вода просачивалась через известняк под плотиной, частично растворяя породу и значительно насыщая переслаивающиеся пласты глины. Так, во время ливня в апреле 1900 г. вода перехлестнула через плотину, размыла коренную породу; плотина обрушилась, и ее средняя часть целиком сползла вниз примерно на 10 м.
Впоследствии было установлено, что частичное избирательное растворение некоторых пластов известняка способствовало образованию подруслового потока и выветриванию глины. Участок, где располагалась плотина, стал безопасным лишь после того, как эти явления были приостановлены благодаря созданию отсекающего рва и «цементного занавеса» под плотиной (этот «занавес» представляет собой цементную перемычку, сооруженную путем нагнетания раствора через расположенные в линию буровые скважины).
Особенно опасным фундаментом для земляных плотин является водопроницаемая порода, которая может эродироваться изнутри в результате сильного просачивания воды. Самой ужасной катастрофой в Великобритании было обрушение плотины Дейл-Дайк над городом Шеффилд в 1854 г., когда погибло 250 человек. Эта земляная плотина подверглась сильной подпочвенной и поверхностной эрозии; кроме того, сыграла свою роль и водопроницаемость коренной породы — жернового (грубозернистого) песчаника, пропускавшего воду в тело плотины.
Известно, что неуплотненный аллювий настолько ненадежен с точки зрения прочности и проницаемости, что его обычно полностью удаляют, чтобы основание плотины легло на коренную породу. Последствия строительства на аллювии наглядно продемонстрировала плотина Пуэнтес на реке Гвадалентин (юго-восток Испании). Высота этой каменной плотины, построенной в 1791 г., была около 50 м, но когда водохранилище в 1802 г. впервые заполнили, плотина обрушилась. Образовалась огромная волна; в городе Лорка, расположенном в 20 км вниз по течению, в этой волне утонуло 608 человек.
Фундаментом плотины служила в основном крепкая порода, но во время строительства обнаружили погребенное русло, выполненное аллювием. Вместо того чтобы удалить аллювий и заменить его кирпичной или каменной кладкой, строители просто вогнали в него деревянные сваи, которые поддерживали плотину. После того как водохранилище было заполнено, давление воды в аллювии стало настолько высоким, что каменная кладка была размыта и вода стала вытекать под плотиной. Через 100 лет та же ситуация практически повторилась на плотине Эйджайо в Уэльсе, и только после этой катастрофы наконец-то поняли, какую опасность таят в себе подобные неуплотненные осадки.
Несколько небольших плотин пришлось перенести “в другие места из-за наличия поблизости старых горных выработок. Однако еще более серьезной угрозой является проседание, происходящее в том случае, когда горные выработки располагаются под плотиной. Обычно для укрепления плотины оставляют опорный целик породы, размеры которого определяются глубиной выработки; это делалось всегда, даже в южном Уэльсе, хотя проходка здесь велась под водохранилищами, где просачивания вод через глину не наблюдалось. С несколько иной проблемой пришлось столкнуться на водохранилище Кингс-Милл близ города Мэнсфилд в Ноттингемшире, где вследствие проседания пород над угольными шахтами одна из рек, питающих водохранилище, повернула вспять.
Земляные плотины могут выдержать значительную деформацию; например, две плотины, расположенные на разломе Сан-Андреас в Калифорнии, не были разрушены при подвижках во время землетрясения 1906 г. в Сан-Франциско. Ни одна из плотин не обрушилась, потому что, будучи заполненными глиной, они оказались достаточно пластичными, и хотя были дважды изогнуты и смещены на 35 м вдоль линии сброса под прямым углом к своей оси, не получили даже трещин. Бетонная плотина не выдержала бы такого смещения и в подобной ситуации, конечно, обрушилась. Во время землетрясения 1954 г. в городе Орлеан-виль (Алжир) в плотине Понтеба образовались трещины. Плотина наклонилась, но, к счастью, не рухнула.
Плотины могут быть даже причиной землетрясений, так как порода деформируется под воздействием веса воды в водохранилище и, кроме того, становится гораздо более рыхлой вследствие повышения давления поровых вод. До сих пор еще ни одна плотина при этом не разрушилась, поскольку возникающие сейсмические толчки бывают очень слабыми. Однако в верхней бетонной части плотины Синфэндзян на юге Китая, фундаментом которой является нарушенный гранит, образовалась огромная трещина, когда в мае 1962 г. произошло вызванное воздействием веса воды землетрясение магнитудой 6,1.
Аллювий, землетрясения, водопроницаемость пород, структуры скалывания — все это может стать ловушкой для строителей плотин. Прежде чем строить плотину, необходимо детально изучить геологические условия, которые везде различны. Часто мы можем получить для них лишь качественную или, в лучшем случае, полуколичественную оценку. Несколько классических примеров обрушений плотин показывают, насколько велика опасность недоучета природных факторов при строительстве.
Плотина Сент-франсис в Калифорнии навсегда вошла в анналы инженерной геологии, поскольку уже с того момента, как ее построили, стало совершенно ясно, что рано или поздно она непременно обрушится. Участок, на котором располагалась плотина, по своей геологии абсолютно не годился для подобного сооружения. Но при проектировании, осуществленном Бюро водоснабжения города Лос-Анджелес, геологические данные во внимание не принимались и за советом к геологам проектировщики вообще не обращались. Плотина была построена в суженной части каньона Сан-Францискито, в 70 км к северу от Лос-Анджелеса ив 15 км вверх по течению от того места, где каньон открывается в долину Санта-Клара, ведущую на запад к морю. Назначением водохранилища было накопление вод, поступавших по акведукам с востока, для последующего распределения их по водопроводу города Лос-Анджелес.
Сооружение водохранилища было завершено в 1926 г.; основной его структурой была простая гравитационная плотина длиной 210 м и высотой в средней части 61 м. На западном берегу протягивалось низкое откосное крыло такой же длины, как и основная плотина. Фундаментом служили кристаллические сланцы и конгломераты, и располагалась плотина как раз на нарушенном контакте этих двух типов пород.
Слюдяной сланец с хорошо развитой чешуйчатой сланцеватостью и многочисленными плоскостями сдвига подстилал левое крыло плотины. В воде порода не подвергалась выветриванию и разрушению, но она содержала небольшие включения минерального талька, и на тех плоскостях сдвига, где они концентрировались, сила сцепления была очень низкой. Несмотря на то что сланец был устойчивым к сжатию, он обрушился, как колода карт, под нагрузкой, не перпендикулярной к поверхностям скольжения. Худшее направление для сланцеватости придумать было бы трудно: она падала на запад под углом около 50° и, следовательно, была почти параллельна восточному склону каньона и очень неустойчива. Оползни в кристаллических сланцах происходили и до и после сооружения плотины, несмотря на то что на дне каньона залегала достаточно прочная порода.
На противоположном склоне каньона западный край плотины располагался на красноцветных конгломератах олигоценового возраста с прослоями песчаников и алевролитов. Эти слаболити-фицированные конгломераты с основной массой из глины и гипса, содержащие гальку размером до 20 см, имели сопротивление япОблению в 4 раза меньше, чем чрезвычайно высокое расчетное сопротивление бетона, из которого была построена плотина. Однако и этот показатель был характерен только для сухой породы. Намокнув, глинистый цемент расширился и разрушился, я гипс быстро растворился, и несцементированный конгломерат превратился просто-напросто в илистый песок. Штуф конгломерата, помещенный в лабораторный стакан с водой, полностью разрушался менее чем за 15 мин. К сожалению, этот простой опыт был проделан лишь после того, как плотина перестала существовать. Граница конгломерата и кристаллического сланца проходила под плотиной. Она представляла собой надвиг, падавший в западном направлении почти параллельно как сланцеватости метаморфической породы, так и напластованию конгломерата. Разлом считали неактивным, и, действительно, движения по нему зарегистрированы не были. И даже несмотря на это строительство бетонной плотины на любом разломе в таком сейсмически активном районе, как Калифорния, следует считать безрассудством. В 1971 г. неподалеку от этого района — в Сан-Фернандо — произошло землетрясение, и возникло оно как раз на разломе, который ранее считали неактивным. Более непосредственное отношение к происшедшей катастрофе имели полутораметровый прослой пластичной жильной глинки и зона перемятого и брекчи-рованного материала, приуроченные к разлому.
Заполнение водохранилища Сент-Франсис началось в 1927 г., но впервые вода достигла максимального уровня лишь 5 марта 1928 г. К тому времени просачивание воды через конгломерат под плотиной уже вызывало беспокойство, и инженеры из Управления водоснабжения и энергии города Лос-Анджелес занялись изучением этого вопроса. Они обнаружили, что просачивающаяся вода абсолютно прозрачна, т. е. не размывает породу, поэтому предупреждения об опасности не последовало. Однако вода содержала большое количество сульфата из-за растворения гипсового цемента в породе. Течение усиливалось, и утром 12 марта вода прорвалась через толщу конгломератов. В тот же день за две минуты до полуночи плотина рухнула.
К сожалению, свидетелей этой катастрофы в живых не осталось, и они не могут рассказать нам о ней; должно быть, это было страшное зрелище. Сток почти мгновенно превысил 22 700 м3 в секунду, вода промчалась вниз по каньону, как стена высотой около 40 м. Через 5 мин она снесла электростанцию, находившуюся в 2,5 км вниз по течению. Все живое и все творения рук человеческих в каньоне были уничтожены. Затем волна устремилась в долину Санта-Клара; здесь высота волны несколько уменьшилась, а разрушительная сила ослабла, однако она не потеряла способности убивать. Немногим в верхней части долины удалось остаться в живых, это были только случайно спасшиеся на деревьях или плывущих в потоке обломках.
К тому времени, когда наводнение достигло прибрежной равнины, оно представляло собой грязную волну шириной в 3 км, катившуюся со скоростью быстрого шага. Позади волны долина была затоплена на 80 км. На школьной спортивной площадке в Санта-Паула одновременно плавало 14 бревенчатых домов. Во время этого наводнения погибло более 600 человек.
Водохранилища больше не существовало; оно было полностью осушено, и произошло это менее чем за час. Центральная часть плотины сохранилась, хотя несколько и сместилась. Восточный конец распался на десять или более крупных блоков, которые были разбросаны в разные стороны; большая часть западной стены была разрушена, хотя низкий бортовой выступ остался. По обеим сторонам плотины породы фундамента были размыты на глубину до 10 м.
Обрушение плотины Сент-Франсис могло быть вызвано не только сбросовым движением, но и еще тремя геологическими причинами. Конгломерат мог превратиться в порошок, жильная глинка, выполнявшая разлом, могла быть размыта, а сланцы могли подвергнуться смятию. Но в конструкции плотины, где предусматривались лишь небольшие отсекающие рвы, не было цементации и глубоких креплений, т. е. все эти вероятные опасности не учитывались. После катастрофы геологи и исследовательские группы считали, что обрушение произошло вследствие сочетания всех трех названных факторов; по окончании официального расследования было заявлено, что катастрофа «целиком и полностью объясняется тем, что плотина была построена на неподходящем материале».
Истинную причину катастрофы следовало искать на восточном берегу, однако инженеры, исследовавшие здесь просачивания непосредственно перед обрушением, ничего о ней не подозревали. Обломочный материал, обнаруженный после наводнения выше уровня водохранилища, свидетельствовал о том, что в наполненное водохранилище сползла масса кристаллического сланца. Это, вероятно, сопровождалось значительным латеральным смещением, в результате которого из-под самой плотины было удалено огромное количество сланца. На другой стороне, где залегал уже ослабленный конгломерат, произошла слишком сильная деформация. Поэтому западная часть плотины должна была обрушиться сразу же вслед за восточной; это случилось так быстро, что возникла лишь одна огромная волна.
Таким образом, основной причиной обрушения было смещение легко подвергающегося смятию кристаллического сланца. Истинные масштабы этого смещения определить невозможно, однако оно было достаточно сильным, чтобы деформировать плотину и превысить ее предел прочности еще до того момента, как волна смыла всю оползшую коренную породу.
Было бы преуменьшением просто заявить, что обрушение плотины Сент-Франсис можно было предсказать. Совершенно очевидно, что геология участка не подходила для строительства плотины, и трудно поверить, что при ее сооружении ничего не было известно о свойствах размокающих конгломератов. Но если рабочие или другие лица указывали на опасность, то люди, руководившие строительством плотины, казалось, были слепыми. Геологические условия совершенно не учитывались, несмотря на то что имеющийся разлом был обозначен на опубликованных картах, а все плоскости ослабления в кристаллическом сланце и конгломерате были хорошо обнажены. Обрушение плотины Сент-Франсис стало прекрасным_примером того, как не следует строить плотины.
Подобно плотине Сент-Франсис, плотина Ле-Шёрфа является классической с геологической точки зрения, потому что она обрушилась из-за неустойчивого фундамента. Однако если на геологию в районе плотины Сент-Франсис просто не обращали внимания, то обрушение плотины Ле-Шёрфа было вызвано ошибкой в понимании геологических условий. Зта плотина находилась близ города Оран, недалеко от берега Средиземного моря в западной части Алжира; она была построена в 1885 г., глубина воды в образовавшемся водохранилище составляла 22 м.
На участке сооружения плотины коренной породой был мощный миоценовый известняк с прослоями брекчий, падающий на запад в ядро опрокинутой синклинали. Известняк перекрывал толщу мергелей с маломощными прослоями известняков и песчаников, выходившую на поверхность высоко на западном берегу. Заканчивался разрез четвертичными глинами и конгломератами, мощность которых местами достигала 30 м. Четвертичные отложения в основном были неуплотненными, однако на отдельных участках некоторые конгломераты были сцементированы, как это часто наблюдается в поверхностных обломках известняков, особенно в жарких районах, где скорость испарения очень высока.
Фундаментом западного конца плотины служили мощные миоценовые известняки. Хотя через эти известняки и просачивалась вода, они были структурно прочными. Фундаментом же восточной части плотины из-за ошибки при геологическом определении стал сцементированный четвертичный конгломерат, представлявший собой лишь хрупкую корку на неуплотненном материале. Поэтому, когда 8 февраля 1885 г. водохранилище было заполнено, вода перелилась через край и фактически смыла восточную часть плотины. Вся находившаяся в водохранилище вода мгновенно превратилась в огромную волну, накрывшую город Сен-Дени-дю-Сюг, который располагался в 20 км вниз по течению.
Обрушение произошло из-за того, что неуплотненные четвертичные осадки были совершенно неподходящим фундаментом для плотины. Западная половина плотины, фундаментом которог служил мощный миоценовый известняк, повреждена не была впоследствии она стала частью новой плотины, построенной в 1892 г. Эта плотина стоит и сейчас; чтобы предотвратить просачивание воды через известняк, пришлось сделать глубокий цементный заслон, доходящий до самого мергеля.
Как показало расследование, основная причина катастрофы 1885 г. заключалась в том, что четвертичный сцементированный конгломерат был принят за слой брекчии в миоценовом известняке. Хотя между этими материалами наблюдается значительное сходство (оба они в основном состоят из обломков известняка), но при тщательном анализе их, безусловно, можно было различить: в четвертичных отложениях встречаются гальки из неизвесткового материала. В выветрелом состоянии обе породы очень похожи, однако каждый специалист в области инженерной геологии должен знать об этом и обязан провести детальное и тщательное исследование. Обрушение плотины Ле-Шёрфа наглядно показало, что может произойти, если принять погребенный слой неуплотненного осадка за массивную породу.
С геологической точки зрения обрушение плотины на водохранилище в горах Болдуин в Калифорнии было необычным и труднообъяснимым, поскольку первоначально причина этой катастрофы была совершенно непонятна. Однако с тех пор механизм этого явления был изучен более детально и картина прояснилась. Обрушение можно отнести к необычным в том плане, что все признаки грядущей катастрофы были налицо, и поэтому удалось своевременно эвакуировать население из опасного района. Это было огромной удачей, особенно потому, что водохранилище располагалось на 100 м выше густонаселенных пригородов Лос-Анджелеса. Город раскинулся вокруг гор, и водохранилище было создано для подачи воды в его постоянно растущий юго-западный район.
Водохранилище сооружалось с 1947 по 1951 г. Из узкого неглубокого” ущелья была проведена выемка породы, из которой в устье ущелья соорудили основную плотину высотой 40 м, а также создали серию низких дамб на окружающих возвышенностях и седловинах. В результате получилось почти квадратное водохранилище шириной около 300 м, глубиной 20 м и емкостью Ц40 млн. л. Вынутые глинистые осадки не использовались при строительстве главной стены плотины, а были раскатаны по дну и внутренним склонам водохранилища слоем толщиной до 3 м, причем в верхней части склонов этот слой был вдвое тоньше. На глину было положено асфальтовое покрытие толщиной 8 см, служившее непроницаемой облицовкой; это покрытие пронизывали дренажные каналы, благодаря чему просачивающаяся вода не достигала опасных давлений. Были предусмотрены также крупные дренирующие каналы со шлюзами, по которым в случае аварии воду из водохранилища можно было спустить менее чем за 24 ч.
Коренные породы на месте закладки водохранилища были представлены слабоконсолидированными плиоценовыми и плейстоценовыми осадками. Они состояли в основном из песков и алевритов, а также небольшого количества глин, причем верхние слои осадков обычно были рыхлыми и иногда даже легко крошились в руках. Нижние, плиоценовые слои можно отнести к умеренно консолидированным, некоторые из них были частично сцементированы. Проницаемость и быстрая эродируемость всех этих материалов вызывали беспокойство.
В геологическом отчете, составленном в 1941 г., говорилось, что на этом месте можно создавать водохранилище. Однако в отчете за 1943 г. этот вывод был полностью опровергнут. Когда же в третьем отчете было заявлено, что водохранилище строить можно, но «конструкция его должна быть консервативной», решили, что другого места все равно не найти, и строительство началось.
Геология этого участка осложняется еще и геологическими особенностями. Гора Болдуин представляет собой антиклинальный купол в толще нефтеносных третичных отложений мощностью 3600 м, залегающих на мезозойских кристаллических сланцах. Ось антиклинали проходит к западу от водохранилища; с той же самой стороны, но ближе к водохранилищу разлом Инглвуд смещен на 450 м по латерали, в этж месте наблюдалось несколько толчков. Во время строительства на участке, отведенном под водохранилище, было обнаружено два незначительных разлома; больший из них, расположенный восточнее, известен теперь под названием Резервуар-Фолт («разлом водохранилища»). По этому разлому наблюдался глинистый пропласток мощностью До 10 см с поверхностями скольжения; разлом был достаточно заметным, вследствие чего водосброс перенесли в другое место.
Куполообразная антиклиналь Инглвуд представляет собой крупное промышленное месторождение нефти; еще с 1924 г. сотни скважин были пробурены в залегающих здесь песках третичного возраста. При разведке нефти было обнаружено множество разломов, в том числе крупный глубоко залегающий разлом Инглвуд Болдуин-Хиллс близ Лос-Анджелеса, где в 1963 г. произошло обрушение водохранилища вследствие подвижек грунта, связанных с разработкой нефтяных месторождений в антиклинали Инглвуд; предполагалось, что один из выявленных разломов является продолжением нарушения Резервуар-Фолт. Извлечение нефти из осадков сделало антиклиналь Инглвуд центром активно проседающей впадины. За период с 1917 по 1963 г. центральная часть этой впадины опустилась на глубину до 3 м; за то же время участок, где находилось водохранилище, осел почти на метр. Кроме того, этот участок входил в кольцевую зону, где за 29 лет максимальное латеральное перемещение грунта составило более метра в сторону центра проседающей впадины.
Все время, пока существовало водохранилище, постоянно наблюдались признаки подвижек грунта. В бетоне, покрывающем разведочные штреки, были обнаружены мелкие трещины, а в стенах водохранилища — сетка еще более мелких трещин; исследования показывали, что проседание и горизонтальное смещение продолжаются. Самым интересным результатом повторных съемок был следующий: с 1947 по 1962 г. участок, на котором располагались водохранилище и плотина, увеличился на 12 см вдоль диагонали северо-восток — юго-запад. В мае 1957 г. на площади юго-востоку от водохранилища стали образовываться крупные трещины, а затем они появились уже вблизи водохранилища. Это были открытые трещины до 750 м в длину, не перемещавшиеся по латерали; они круто падали на запад, протягиваясь параллельно небольшим разломам, имевшимся на этом участке.
Однако никаких признаков повреждений водохранилища не наблюдалось. Все было спокойно. Но в 11 ч 15 мин утра 14 декабря 1963 г. сторож, следивший за режимом водохранилища, обнаружил, что дренажные каналы сбрасывают воду под высоким давлением. Это означало, что вода из водохранилища прорвалась через асфальтовую облицовку в слой глины. Была поднята тревога. К 12 ч 20 мин начали спуск воды из водохранилища, а в 13 ч вода стала просачиваться из-под основания восточного конца плотины. Поскольку к этому времени плотина была уже эродирована изнутри, стало совершенно ясно, что водохранилище обречено. Были приняты экстренные меры к спасению населения: объявления по радио, телевидению и с вертолетов, снабженных громкоговорителями, помогли быстро эвакуировать 1600 человек из домов, расположенных под плотиной.
К 14 ч просачивание воды стало настолько сильным, что у края водохранилища возник водоворот, а девятью минутами позже в основании плотины появилось огромное отверстие. В 15 ч 38 мин в это отверстие обрушилась верхняя часть плотины, в которой образовалась огромная трещина высотой 27 м и шириной 22 м. Первоначально скорость течения воды через эту трещину составляла более 120 м3 в секунду, и через час водохранилище было уже пустым. Волна обрушилась вниз по ущелью, и расположенная внизу равнина скрылась под 2,5-метровым слоем воды, однако благодаря своевременной эвакуации жертв было немного: утонуло пять человек. Сорок один дом был разрушен, почти тысяча строений повреждены, улицы покрылись толстым слоем грязи. Общий ущерб составил почти 15 млн. долл.
Как только вся вода из водохранилища вытекла, сразу же стала ясна причина катастрофы: вдоль обнажения Резервуар-Фолт через асфальтовое покрытие протягивалась трещина, уходившая в пролом в плотине. По разлому произошло такое же движение, как и по ранее образовавшимся трещинам в земной поверхности на юго-востоке участка: разлом открылся на 10 см и сместился к западу почти на 20 см. Вода проникла через разрушенный асфальт, залила систему закрытого внутреннего дренажа и продолжала течь вниз в разлом, размывая рыхлые пески и алевриты под слоем накатанной глины. В конце концов вода прорвалась и под плотину и начала быстро подмывать породу под ней. Однако при движении разлома плотина не разрушилась и даже некоторое время сохраняла перемычку над отверстием, из которого вытекала вода.
Причиной движения по разлому явилось, несомненно, развитие деформаций, сопровождавших проседание антиклинали Ин-глвуд, но именно при таком заключении и началась путаница. Проседание произошло не вследствие удаления воды, поскольку такового не наблюдалось, и не вследствие оползней или землетрясений, так как в этот день они зарегистрированы не были. Предполагали, что движение грунта началось вследствие извлечения нефти из месторождения Инглвуд. Однако начиная с 1957 г. на месторождении перешли к вторичному извлечению полезного ископаемого путем нагнетания в породу рассола, вытесняющего нефть. При этом было зарегистрировано заметное ослабление движения грунтов вокруг месторождения. Возник вопрос, почему же в 1963 г. движение внезапно возобновилось. Полагали, что это произошло вследствие какого-то глубинного тектонического процесса, но никаких подвижек на разломе Инглвуд зарегистрировано не было. При местных же тектонических условиях в антиклинальной области скорее могло начаться поднятие, чем опускание, и, следовательно, на участке водохранилища должно было происходить сжатие, а не растяжение.
Нефтяные компании заплатили городу и его страховым обществам без какого-либо судебного разбирательства почти 3,9 млн. долл., что составляло около 25 % от общего материального ущерба. В результате официального расследования было^сделано следующее обобщенное заключение: «Слишком многого хотели от этого водохранилища, расположенного в краевой части чувствительной системы разломов Ньюпорт-Инглвуд с неустойчивой тектоникой, на краю быстро проседающей впадины, на фундаменте, подвергающемся активному воздействию воды».
Лишь позже стало понятно, какую роковую роль в обрушении плотины на водохранилище в горах Болдуин сыграло вторичное извлечение нефти. Этот вид добычи предполагает выкачивание нефти из одних скважин при нагнетании воды или рассола в другие скважины, благодаря чему повышается давление жидкости в породах на глубине. В настоящее время хорошо известно, что подобное увеличение давления поровых вод может привести к снижению сил сцепления по плоскостям сброса; в ряде случаев это послужило причиной слабых землетрясений. В данном случае увеличением порового давления стимулировалось движение вдоль разлома Резервуар-Фолт, который был вполне устойчивым до того момента, пока в породах не возросло давление воды. Это предположение подтвердилось при сопоставлении скорости нагнетания рассола в породы месторождения Инглвуд с образованием трещин в его краевых частях, а также с потерей флюидов в плоскости сброса.
Хотя проектировщики водохранилища учли сопротивление толчкам и проседанию, они, к сожалению, допустили две ошибки. Предполагалось, что разлом Резервуар-Фолт — небольшой и неглубокий, тогда как в действительности он достигал значительной глубины и пересекал крупные поля напряжений в погружающейся антиклинали. Кроме того, не было учтено неизбежное изменение физических свойств пород, которое сопровождает операции по извлечению нефти. Вопрос о том, кто виноват в катастрофе: нефтедобывающие компании или Министерство водных ресурсов — до сих пор остается открытым. Но нельзя отрицать, что в такой ситуации, которая сложилась в горах Болдуин, нефтяное месторождение и водохранилище были абсолютно несовместимыми.
Обрушения плотин Сент-Франсис, Ле-Шёрфа и Болдуин-Хиллс можно было предсказать при правильной оценке местных геологических условий, на плотине же Мальпассе дело обстояло иначе. Обрушение плотины Мальпассе было обусловлено геологической обстановкой, но ни до катастрофы, ни во время ее механизм обрушения известен не был; лишь впоследствии удалось его установить, отчасти благодаря самой катастрофе.
Плотина, построенная в 1953 г., запрудила реку Рейран в 8 км к северо-востоку от города Фрежюс на западном конце Французской Ривьеры. Это было бетонное сооружение с тонкой аркой высотой 65 м, длина искривленной сводовой части составляла 220 м; плотина удерживала воду в водохранилище длиной 6,5 км и емкостью 25 млн. м3.
Геологическое строение этого места казалось почти идеальным. Коренной породой был каменноугольный гнейс и маломощный аллювий, который полностью удалили во время строительства водохранилища. Гнейс включал пегматитовые жилы, в которых не было ослабленных зон, а также имел густую сеть микротрещин, не отличавшихся каким-либо определенным характером. Никакой тревоги эти трещины не вызывали, поскольку было установлено, что породы фундамента способны вместить при нагнетании лишь минимальное количество цемента. Полосчатость гнейса обусловливалась главным образом слюдой, а также^большим количеством кальцита и серицита, особенно в зоне, расположенной на восточном берегу. Поверхности шелковистого серицита часто смещались, что усиливалось при намокании, но угол сланцеватости в месте возведения плотины был настолько круче склона долины, что не возникало никакой опасности оползания насыпной плотины.
Небольшой разлом, существовавший в гнейсе, не был обнаружен при первоначальном исследовании участка; он выявился лишь при размыве породы после обрушения плотины. Даже если бы он и был замечен, особой тревоги это, вероятно, не вызвало бы. Хотя разлом и обнажался выше по течению от плотины, и падал под углом 45°, проходя примерно в 15 м под плотиной, можно было предполагать, что засыпка плотины не должна вызвать здесь каких-либо новых опасных подвижек.
После того как в 1953 г. строительство плотины завершилось, водохранилище стало постепенно заполняться, однако из-за больших расходов воды максимальный уровень в нем был достигнут лишь в конце ноября 1959 г. До тех пор замеченные деформации и движение плотины не выходили за пределы допустимых. Пятнадцатого ноября 1959 г. сторож обнаружил, что из-под западного берега примерно в 20 м вниз по течению от плотины просачивается вода; это продолжалось и во время сильного дождя, начавшегося 27 ноября. В 9 ч вечера 2 декабря плотина обрушилась, но свидетелей этой катастрофы не было. По рассказам сторожа, находившегося в то время в своем доме, расположенном в 1,5 км от водохранилища, катастрофа разразилась молниеносно: привычную тишину вдруг нарушил сильный треск, двери и окна дома были вырваны резким порывом ветра, и началось невероятное.
Плотина обрушилась мгновенно, и образовавшаяся волна была поистине гигантской. Она устремилась вниз по узкой долине реки Рейран, затем разлилась по расположенной внизу равнине, все разрушая на своем пути. В городе Фрежюс погибло более 400 человек, для Франции это было настоящим национальным бедствием. От плотины не осталось камня на камне. На западном берегу сохранился лишь небольшой блок, а на восточном — лишь край плотины, смещенный на 2 м по горизонтали от исходного положения.
При расследовании причин катастрофы выяснилось, что среди обломочного материала, принесенного в долину, бетонные плиты и их обломки, как и при постройке, были по-прежнему сцеплены с гнейсом. Это свидетельствовало о том, что причиной обрушения плотины не могла быть потеря контакта между плотиной и коренной породой. Комиссия не обнаружила никаких ошибок и в конструкции плотины; бетон тоже был хорошим, а в почти водонепроницаемый гнейс нагнетался к тому же цементирующий раствор. Поэтому было решено, что плотина обрушилась вследствие изгибания тонкой бетонной арки, которое было вызвано движением фундамента плотины. Поскольку порода, послужившая причиной обрушения, была вымыта волной, велись споры, как произошло обрушение — в результате деформации или оползания.
Хотя впоследствии было установлено, что ни один из этих процессов не был причиной обрушения, в ходе дискуссий было получено два важных результата. Во-первых, оказалось, что инженеры-проектировщики и геологи говорили на разных языках, а потому не могли понять друг друга. Во-вторых, было сделано официальное заявление о необходимости проводить более детальное исследование всех пород фундамента in situ, особенно в поверхностных слоях, а не полагаться на результаты лабораторных проверок, как это обычно было принято.
Лишь несколько лет спустя группе французских инженеров удалось установить истинную причину катастрофы в Мальпассе. При выполнении серии лабораторных опытов с целью выяснения связи между водопроницаемостью и преобладающим напряжением в серии пород обнаружилось, что водопроницаемость некоторых пород резко снижалась при сжатии, причем наиболее сильный эффект наблюдался в микротрещиноватых породах, таких как гнейс. Растягивающее напряжение вызывало увеличение проницаемости. Оказалось, что из всех изученных пород именно в гнейсе изменение проницаемости наиболее сильно зависит от напряжений. Если рассматривать это открытие применительно к данной плотине, то его значение становится совершенно очевидным, так же как и роль небольшого разлома, находившегося ниже по течению. Под воздействием давления насыпной плотины произошло сжатие гнейса, и его проницаемость уменьшилась примерно до одной сотой от ее обычного значения. Сам разлом содержал непроницаемую жильную глинку, и таким образом под плотиной создался почти непроницаемый для воды барьер.
Для зоны растяжения в гнейсе под краевой частью водохранилища была характерна повышенная водопроницаемость, через эту зону и передавалось поровое давление воды. В результате в почти водонепроницаемом гнейсе под плотиной возникла огромная сила, направленная вверх параллельно ослабленному разлому, которая совместно с воздействием порового давления подняла плотину. Несомненно, причиной обрушения было окончательное заполнение водохранилища, вызвавшее несколько более сильную деформацию плотины и подстилающих пород и приведшее к образованию трещин в дне водохранилища, что способствовало более быстрой передаче давления воды.
Обеспечить безопасность на плотине Мальпассе можно было лишь путем сооружения системы дренажа под плотиной, что препятствовало бы росту давления поровых вод. В настоящее время подобные сооружения предусматриваются во всех плотинах такого рода. Несмотря на то что в ретроспективе механизм обрушения плотины Мальпассе стал совершенно очевидным, несправедливо было бы обвинять в непредусмотрительности инженеров-проектировщиков, которые в то время ничего не знали о принципах такого механизма. В данном случае инженерам можно простить некоторые геологические ошибки, поскольку еще не были изучены все проблемы, возникающие в условиях, когда огромные силы оказывают воздействие на такие природные материалы, как вода и горная порода.

Будущее
Почему происходит обрушение плотины? Неужели каждый раз, когда обрушение носит иной характер, чем предшествующие катастрофы, человек неизменно будет понимать это уже слишком поздно?
Трагедии в Мальпассе и горах Болдуин произошли потому, что причины, их вызвавшие, не были своевременно выявлены. Несомненно, предсказать катастрофу гораздо труднее, чем говорить о случившемся post factum. Нелепые ошибки в конструкциях плотин Сент-Франсис и Ле-Шёрфа уже стали достоянием истории. Однако в июне 1976 г. обрушилась плотина на реке Титон в Соединенных Штатах. Что же это было: сказалась еще одна досадная ошибка или проявилась какая-то новая, ранее не известная причина? В результате обрушения плотины на реке Титон погибло 11 человек, 25 000 осталось без крова, а общий ущерб составил около 400 млн. долл. Однако надо отдать должное Управлению мелиорации США, под руководством которого кроме плотины на реке Титон было сконструировано более 300 других плотин: оно стало инициатором досконального расследования причин катастрофы.
Земляная плотина была размыта, когда водохранилище впервые заполнили. Истинная причина катастрофы до сих пор неизвестна, вероятно, обрушение было обусловлено слабостью фундамента. В основании плотины залегал сильно трещиноватый рио-литовый туф, который местами являлся водоносным горизонтом. В нем было пробурено несколько скважин, таким образом в плотине был создан цементный экран и огромная, невиданных ранее масштабов траншея для отвода воды. Дно траншеи покрывалось цементом вручную, в этом-то и заключалась роковая ошибка. Проектировщики полагали, что подобное цементирование сделает поверхность породы водонепроницаемой. Однако строители выполнили цементирование лишь с целью укрепления фундамента плотины: густой цементный раствор был залит во все крупные трещины в риолите, а на трещины около 1 см в поперечнике не обратили внимания.
Затем на этой поверхности была заложена плотина из алеврита и глины; когда водохранилище было заполнено, вода проникла в эти мелкие трещины и достигла основания плотины. Смесь алеврита и глины была размыта; этот материал меньше подходит для строительства плотины, чем самоуплотняющаяся глина, но в других местах он с успехом применялся. В результате вода начала вытекать из-под плотины над цементной перегородкой в породе фундамента, после этого обрушение стало уже неизбежным. Плотина на реке Титон обрушилась потому, что ее конструкция, правильная по своей сути, не учитывала местных геологических условий. Ужасно, что чаще всего именно этот промах приводит к катастрофе. Но послужило ли обрушение плотины на реке Титон должным уроком?
Геологические причины обрушения плотин обычно выявляются быстро, и если плотина выдерживает первое заполнение водохранилища, это означает, что она устоит и в дальнейшем. Однако это нельзя сказать о других сооружениях, где мы имеем дело с водой.
До 1818 г. Рейн в своем верхнем течении между городами Базель и Карлсруэ меандрировал по широкой пойме. В том году начали проводить мероприятия, направленные на регулирование течения этой реки; эти работы продолжаются и сейчас. Длина реки была сокращена, построили плотины, каналы, дамбы, благодаря чему Рейн превратился в транспортную артерию, каковой является и в настоящее время. Печальный результат всех этих работ, выполнявшихся различными организациями без взаимного согласования, заключается в том, что теперь у реки нет поймы и все паводковые волны, возникающие во время весеннего таяния снегов в альпийских водосборах, мгновенно проносятся вниз по течению.
Расположению города Карлсруэ в настоящее время не позавидуешь. В 1955 г. он сильно пострадал во время весенних паводков, но если бы то же самое произошло в Альпах в 1978 г., уровень наводнения из-за проведенных за эти годы на реке работ повысился бы на 35 %. Лучший способ избежать такой катастрофы — это воссоздать ту пойму, которая была у реки в 1818 г. В этих условиях паводковая вода будет растекаться по местности, а не устремляться единым потоком к городу Карлсруэ. Подобная схема уже существует на бумаге. Но будет ли она внедрена в практику? Или придется ждать того момента, когда в городе Карлсруэ произойдет еще одна катастрофа, — на этот раз уже не из-за реки, а по вине человека?