5 лет назад
Нету коментариев

Уплотнение рыхлых осадков, ведущее к проседанию грунта, почти невозможно предотвратить, если нагрузка, оказываемая на материал, обусловливается крупным строением. В большинстве случаев такое уплотнение сопровождается удалением воды из пор под давлением. Песок фактически не поддается сжатию, и вода из него вытесняется с трудом. Однако если межзерновая вода откачивается из песка и соседствующих с ним глинисто-алевритовых отложений, то падение гидростатического давления может повлечь за собой значительное уплотнение и последующие сдвиги грунта. Поскольку пески, особенно их несцементированные или слабо консолидированные разновидности, представляют собой высокопродуктивные водоносные горизонты, то грунтовые воды всегда активно откачивались из них. Во многих случаях это сильно влияло на состояние земной поверхности.
В долине Сан-Хоакин в центральной Калифорнии выпадает очень мало осадков. Интенсивное сельское хозяйство в этом районе обязано своим существованием ирригационным водам, большая часть которых откачивалась из осадков, подстилающих долину. Это были пески и грубозернистые алевриты, мощность которых местами превышала 600 м. Из этих пород в течение XX века активно извлекались воды, и в результате произошло проседание грунта, затронувшее площадь в несколько сотен квадратных километров, максимальная глубина просадки составила более 8 м. При понижении артезианского напора на 6–9 м грунт оседал на 30 см. Поскольку долина Сан-Хоакин — это район сельскохозяйственных земель, такое опускание, хотя оно и сопровождалось даже образованием трещин в грунте, не повлекло за собой катастрофических последствий. Забавно, что основное повреждение в долине Сан-Хоакин было нанесено ирригационным системам, которые сами и явились его причиной. Движение грунта разрушило многие скважины (ремонт скважины обходится до 1 млн. долл. в год), и ирригационные каналы с их очень низкими перепадами постоянно надо было восстанавливать. Чтобы прокладывать каналы через осевшие районы, не затопляя их, необходимо создавать длинные насыпи. Очевидно, единственным способом борьбы с проседанием в долине Сан-Хоакин является прекращение откачки грунтовых вод. Частичная их замена водами, которые подаются с гор, позволила значительно снизить скорость проседания грунта.
Подобное проседание в городских районах, особенно в тех, которые находятся почти на уровне моря, может иметь гораздо более разрушительные последствия. Так, значительная часть Токио пострадала от проседания, происходившего со скоростью 15 см в год в связи с извлечением воды из подстилающего горизонта алевритов. Многие крупные здания Токио были построены на более глубоко залегающих слоях плотной породы, поэтому создавалось впечатление, что они поднимаются, в то время как окружающая поверхность оседает. Движение было таким сильным, что к 1961 г. площадь около 40 км2 на окраине Токио оказалась ниже уровня моря. Эти районы пришлось защищать большими и дорогостоящими дамбами.
Сходные проблемы возникают и в Китае, например в городе Шанхай. Под Шанхаем залегают неконсолидированные осадки мощностью 300 м, содержащие большое число водоносных горизонтов, из которых выкачивается вода. Общая глубина просадки в районе судостроительной верфи за период между 1921 и 1973 г. составила 2,5 м. Участившиеся здесь случаи затопления вызвали попытки сократить скорость проседания. Так, проводилась закачка воды обратно в скважины во время влажных сезонов. Это делалось для поддержания уровня грунтовых вод в период сухих сезонов, когда грунтовые воды приходится откачивать.
При извлечении грунтовых вод просадке подвергаются не только пески и алевриты. Например, в Лондоне вода интенсивно откачивалась из мела, на котором стоит город, и в результате артезианский напор упал на десятки и даже сотни метров. Падение давления поровых вод в перекрывающих мел глинах Лондон-Клей вызвало проседание около 30 см. К счастью, этого недостаточно, чтобы повлечь за собой значительные последствия.
Проседание района вокруг города Саванна (штат Джорджия) происходит вследствие откачки вод из толщ известняка. Большинство известняков, даже если они трещиноватые и содержат водоносные горизонты, достаточно прочны, чтобы выдержать любую нагрузку. Однако третичные известняки Окала под Саванной являются исключением: они очень пористые, слабо консолидированные и при уменьшении давления поровых вод уплотняются. Очень серьезному проседанию подвергся также район между городами Хьюстон и Галвестон (штат Техас), расположенный западнее Саванны. Начавшись в 1943 г., проседание к 1961 г. местами достигало полутора метров; этот процесс продолжается в настоящее время со скоростью 7,5 см в год.
Проседание чаще всего бывает связано с извлечением воды из песчаных водоносных горизонтов, но иногда оно может быть вызвано откачкой из толщ проницаемых осадков другой жидкости — нефти или каких-либо растворов. Например, город Ниигата в Японии подвергся катастрофическому проседанию и местами опустился ниже уровня моря вследствие извлечения- соляных растворов, содержащих метан. Нефть является второй по значению после воды причиной проседания. Яркий тому пример — опускание в Лос-Анджелесе.
Портовый район Лонг-Бич на юге Лос-Анджелеса расположен непосредственно над месторождениями нефти Уилмингтон, находящимися в частном владении. Из небольшого купола в толще осадков мощностью около 180 м в значительных количествах откачивались как нефть, так и вода. Результатом этого явилось образование чаши проседания эллиптической формы, имевшей в поперечнике почти 10 км и повторявшей очертания лежащей под ней геологической структуры. В центре этой чаши вертикальное опускание за период с 1928 по 1971 г. достигло 9 м. Горизонтальное движение по краям чаши местами составило 3 м. Возмещение убытков, нанесенных городу, превысило 100 млн. долл. Наиболее пострадавшей оказалась морскчя судоверфь, большая часть которой сейчас находится ниже уровня моря и окружена высокими бетонными стенами. Эти стены приходится постоянно надстраивать, иначе море зальет верфь.
К 1957 г. ситуация в районе Лонг-Бич стала настолько опасной, что Министерство юстиции США запретило эксплуатацию здесь нефтяных скважин. Был предложен проект, согласно которому следовало закачать миллионы литров воды обратно в грунт по 200 скважинам. Эта процедура должна была не только восстановить давление воды в осадках и тем самым прекратить проседание, но и увеличить напор нефти в других, еще используемых скважинах. Действительно, нагнетание воды является стандартным методом повышения продуктивности нефтяного месторождения, хотя в данном случае оно рассматривалось лишь в качестве побочного эффекта. Работы прошли настолько успешно, что к 1963 г. проседание было в значительной степени остановлено, а в некоторых местах даже скомпенсировано. Надо отметить, что положительный эффект был достигнут в относительно простой ситуации, вообще же возможность полного восстановления уровня, существовавшего до проседания, ничтожна и требует предусмо-трения многих факторов.
К сожалению, закачка воды не разрешает проблемы проседания того типа, который существует и по сей день в городах Венеция и Мехико.
Венеции — всемирно известному городу, представляющему собой настоящее произведение искусства, — угрожает реальная опасность разрушения, поскольку она постоянно опускается ниже уровня моря. Венеция была заложена более 1300 лет назад. Город находится почти в центре большой лагуны, длина которой 56 км, ширима 10 км. Лагуна’ отделена от Адриатического моря длинным рядом песчаных валов, которые еще в XVIII веке были укреплены дамбами. При этом были оставлены три пролива, открывающиеся в лагуну.
Венеция давно страдает от проседания. В 1902 г. обрушилась, превратившись в груду камней, колокольня собора Святого Марка. Столь полному разрушению подверглись немногие здания, но постепенно опускается большинство строений, поскольку весь город оседает. Примерно 70 % площади города в настоящее время находится на высоте чуть больше метра над средним уровнем моря, и эта территория часто подвергается затоплению. Наводнения, называемые здесь «аква альта» («высокая вода»), обусловлены совместными действиями ветра, прилива, резких колебаний уровня Адриатического моря, осадков и пониженного атмосферного давления. Самая ужасная «аква альта» отмечалась в 1966 г., когда ущерб, нанесенный городу, был оценен в 30 млн. фунтов стерлингов. Наводнения становятся все более частыми. Если на рубеже XIX и XX веков они происходили в среднем каждые пять лет, то к 1930 г. стали повторяться ежегодно, а начиная с 1960 г. — даже трижды в год. Затопление площади Святого Марка сейчас уже надо считать событием предрешенным.
Здания Венеции были построены на деревянных сваях, погруженных в дно мелководных частей лагуны. Отложения, подстилающие лагуну, представляют собой неконсолидированные материалы четвертичного возраста мощностью около 800 м, под которыми залегают еще менее плотные осадки, датированные плиоценом. Четвертичные отложения примерно на 50 % состоят из песков, на 35 % — из алевритов и на 15 % — из алевритовых глин. При таком фундаменте в морских дельтовых условиях следует ожидать проседания. В Венеции же есть множество предпосылок для этого.
Археологические исследования показали, что проседание лагунной зоны в доисторические времена местами достигало 6 м, а с древнеримских времен составило 2–3 м. Таким образом, среднее проседание в древности равнялось примерно 1 см в год — такова скорость, ожидаемая в любом дельтовом районе, где идет аккумуляция осадков. Главная дельта реки По расположена несколько южнее Венеции, и осадконакопление в этом районе вызывает изгибание слоев коренных пород под нагрузкой аккумулированных осадков. Поскольку четвертичные отложения мощностью около 800 м имеют мелководное происхождение, опускание фундамента за этот период составило, по-видимому, также около 800 м. В то же время должно было осуществляться уплотнение осадков, однако лабораторные исследования керна скважин, пробуренных под Венецией, показали, что такое первичное уплотнение существенной роли в проседании города не играет.
В XX веке скорость проседания катастрофически возросла, как показывают следующие данные о среднем опускании в год: 1926–1942 гг. — 0,23 см; 1943–1952 гг. — 0,35 см; 1953–1961 гг. — 0,50 см. Очевидно, появились какие-то новые факторы, и самым главным из них надо считать откачку грунтовых вод. Венеция всегда снабжалась водой, извлекаемой через неглубокие скважины из многочисленных водоносных горизонтов в четвертичных отложениях. Однако с начала нашего века потребность в воде существенно возросла. Начиная с 1930 г. промышленным предприятием в городе Маргера (западнее Венеции) в подстилающих лагуну осадках было пробурено более 7000 скважин. Активная откачка понизила гидростатический напор под Маргерой более чем на 18 м, а под Венецией — более чем на 7,5 м. Наибольшее уплотнение осадков произошло в интервале между глубинами 100 и 300 м, а большинство скважин в Маргере откачивали воду из водоносных горизонтов, залегающих на глубине от 200 до 300 м. К счастью для Венеции, удаление грунтовых вод не привело к слишком сильному уплотнению осадков и проседание составляет в среднем около 1,5 см на каждый метр падения артезианского напора. Для сравнения можно отметить, что в Центральной Калифорнийской долине отмечена скорость опускания в 6 раз больше, а оседание в Мехико составляет 15 см на каждый метр падения артезианского напора.
Имеются и другие факторы, обусловливающие постоянное опускание Венеции. Большую нагрузку на осадки вызвала интенсивная застройка лагунного района, развернувшаяся в XX веке. Кроме того, начиная с 1935 г. из четвертичных отложений, залегающих под дельтой реки По, добывался природный газ, пока в 1955 г. добыча его не была запрещена из-за проседания. Однако недавно было высказано предположение, что извлечение газа вызывало проседание только в районе, расположенном гораздо южнее самой Венеции.
Ко всем известным разнообразным типам проседания суши надо добавить еще повышение уровня моря. Этот процесс, происходящий во всем мире, связан с постепенным таянием полярных льдов вследствие постоянного повышения средней температуры на Земле. Подъем уровня моря эквивалентен опусканию суши на 1,5 см в столетие.
Таким образом, опускание Венеции происходит как в результате естественных процессов, так и вследствие действия гораздо более сильного фактора — извлечения воды. Последнее влияние, безусловно, может быть предотвращено. Однако только гигантское разрушительное наводнение 1966 г. подвигнуло правительство к действиям. В 1973 г. было отпущено более 200 млн. фунтов стерлингов на защитные сооружения. Другим важным результатом действий правительства было запрещение откачивать воды из горизонтов под Маргерой. Был построен акведук, подающий воду из реки Силь, протекающей к северу от города. Благодаря этому гидростатическое давление в осадках, залегающих под Венецией, стало повышаться, а проседание зи последние несколько лет значительно сократилось, но оно не остановилось, поскольку природные процессы продолжают развиваться.
Из многих выдвинутых предложений по спасению Венеции выделяются два проекта.
Один из них заключается з том, чтобы установить огромные плавучие плотины в каналах между лагуной и Адриатическим морем. При наводнении эти плотины можно закрепить и тем самым отвратить повышение уровня воды в городе. Единственным недостатком этого проекта является резкое сокращение приливно-отливной очистки каналов Венеции, что до настоящего времени спаслло город от засорения отбросами, которые просто спускаются в каналы. Поэтому в стоимость этого проекта должны входить расходы на сооружение современной очистной системы для всего города. Надо отметить, что этот план направлен на защиту от воды, а не на предотвращение проседания, которое в будущем потребует все более частого закрытия плотин, т. е. возможной изоляции лагуны.
Другой, более смелый, проект предусматривает фактическое приподнятие всего города. В дно лагуны предлагается врыть стену глубиной около 100 м и длиной 13 км, которая полностью окружала бы город. Она должна изолировать водоносные, горизонты в песчаных осадках, залегающих непосредственно под городом, от их продолжений под остальной частью лагуны, поскольку песчаные пласты, по существу, горизонтальны и подстилаются водонепроницаемыми глинами. Затем воду следует накачивать обратно в водоносные горизонты, что повысит давление поровых вод. В результате город приподнимется, поскольку осадки снова расширятся, по крайней мере до своего прежнего объема. Правда, могут возникнуть определенные трудности; например, замедление движения грунта при трении о стену может обусловить куполообразное выгибание территории города. Однако этот план все же дает лучшее решение проблемы, чем первый, и опыт Лос-Анджелеса по закачке воды показывает, что такой проект может сработать. Если же этого не произойдет, Венеция будет медленно опускаться до тех пор, пока совсем не исчезнет под водами своей знаменитой лагуны.
Город Мехико расположен весьма живописно: он раскинулся в широкой котловине с плоским дном на 2257 м выше уровня моря и окружен горами. Котловина имеет длину более 80 км и среднюю ширину 24 км. Она пересекается множеством небольших речек. Плоская форма дна котловины обусловлена мощным слоем подстилающих осадков, представленных грубозернистыми песками, перекрытыми тонкозернистыми глинами. Геологический разрез этого района имеет следующее строение.
Нижняя пачка песков и галечников прослеживается до глубины 500 м; ее обломочный материал представлен главным образом вулканическими андезитами. Эти отложения являются высокопродуктивным водоносным горизонтом. Залегающие выше две мощные пачки верхнеплейстоценовых глин сходны между собой; они представлены бентонитами, т. е. состоят главным образом из монтмориллонита с небольшой примесью других глинистых минералов, а также глинистых алевритов. Хотя все глинистые минералы имеют некоторую способность удерживать воду благодаря слабым электрическим связям, монтмориллонит проявляет это свойство сильнее всех. При увеличении в тысячи раз под электронным микроскопом можно видеть, что кристаллическая структура монтмориллонита состоит из полых трубочек, похожих на макароны, которые и придают монтмориллониту способность абсорбировать воду.
Верхний слой глины имеет среднюю пористость 88 %, а нижний — около 82 %. Другими словами, 88 % (или 7/8) верхнего слоя мягкой глины — это вода, и только 12 % —твердый минеральный материал. Тот факт, что вода в глинистых минералах связана (хотя и очень слабо), означает, что этот материал представляет собой не просто жидкую грязь, а является очень мягким, пластичным веществом. На такой породе не следовало бы строить большой город. К сожалению, все это стало известно через много лет после того, как город Мехико был построен.
Проседание Мехико впервые было отмечено в XIX веке; в это время как раз была усилена откачка воды из скважин, пройденных в высокопродуктивных песчаных водоносных горизонтах, залегающих ниже 50-метровой отметки. К 1959 г. часть города осела на 4 м, максимальное проседание составило 7,6 м. Скорость опускания в настоящее время заметно увеличилась, поскольку город растет, а следовательно, растет и откачка воды. С 1898 по 1938 г. ежегодное проседание в среднем составляло 4 см, за следующие 10 лет оно увеличилось до 15 см, в период 1948–1952 гг. достигло 30,5 см, а местами даже превысило 60 см. К 1948 г. стало ясно, что причиной проседания Мехико является добыча воды, но еще многие годы после этого существовало более 3000 скважин, поивших растущий город и одновременно подтачивавших его фундамент.
Артезианский напор в главных водоносных горизонтах до выкачивания воды располагался примерно на уровне поверхности грунта, в конце 50-х годов XX века он понизился на 20–30 м. Очевидно, падение гидростатического давления в песках и галечниках произошло очень быстро, но при крайне низкой проницаемости перекрывающих слоев глины вода через них просачивалась очень медленно. Это связывание воды глиной в данном случае имело благоприятные последствия, поскольку оно замедлило общее падение давления и, следовательно, проседание грунта. В результате проседания многие обсадные трубы скважин вышли на поверхность. Так, одна из скважин, пробуренная до глубины 90 м, была остановлена, причем ее обсадная труба находилась на уровне поверхности земли. К 1954 г. этот район опустился на 6 м, а обсадная труба выступила из грунта на 5,5 м. Это ясно показывает, что почти все проседание было обусловлено уплотнением верхних 90 метров осадков.
К сожалению, выход обсадных труб на земную поверхность — не единственное последствие проседания Мехико. Были повреждены здания, сильно пострадали водопровод и осушительные каналы, особенно в тех местах, где шло неоднородное проседание, вызванное разной нагрузкой. Пожалуй, самым печальным последствием проседания было повреждение великолепного Дворца изящных искусств, находящегося в самом центре города. Строительство дворца началось в 1904 г. и было закончено только в 1934 г. Если фундаментом служила бетонная площадка толщиной 3 м, верхняя часть которой находилась на уровне поверхности земли. Еще до того момента, когда началось строительство, бетонный настил заметно прогнулся посредине и во время возведения здания он все больше проседал, погружаясь в землю. К 1908 г. частично построенное здание опустилось более чем на 1,5 м, а через два года в фундаменте появилась трещина. В 1910 г. была сделана попытка стабилизировать дворец, и в подстилающий слой глины было залито в виде жидкого раствора 70 000 мешков цемента. Однако мелкозернистая структура глины не позволяла раствору распределиться однородно, и вместо цементирования и стабилизации произошло следующее: цементный раствор осел в виде сгустков и сообщил дополнительную нагрузку на глину, что, вероятно, ускорило дальнейшее проседание.
Через 5 лет вокруг дворца были забиты стальные сваи, так как предполагали, что опускание обусловлено боковым смещением глины под влиянием нагрузки. Однако эти меры тоже оказались бесплодными, ведь глина не съехала, а просто уплотнилась вследствие просачивания воды вниз. Несмотря на это строительство продолжалось, и уже возведенный дворец все больше погружался в землю. Сейчас он опустился более чем на 3 м ниже уровня окружающих улиц. Неоднородность проседания обусловлена гигантским весом дворца. Чтобы попасть на его первый этаж, надо спуститься по ступеням, ведущим вниз. Более легкие дверные арки погрузились меньше и поэтому оторвались от главного здания. Проезжие части окружающих дворец улиц растрескались и приобрели наклон по направлению к дворцу.
Подведение соответствующих несущих конструкций, опирающихся на песчаные породы, залегающие на глубине 33,6 м, быстро остановило бы проседание Дворца изящных искусств. Этот инженерный проект вполне осуществим. Забивка глубоких свай применялась при постройке многих современных зданий в городе. Но эти сваи, как и обсадные трубы скважин, со временем начинают выступать над поверхностью земли — по мере того, как продолжается проседание окружающих улиц. Поэтому такой способ не дает в Мехико полного решения проблемы. Необходимо остановить проседание, ликвидировав его причину, а для этого надо сократить откачку вод. В 1952 г. начали подводить воду к городу, извлечение грунтовых вод было остановлено, а на следующий год стали закачивать воду обратно в обезвоженные, ранее водоносные горизонты. В результате к 1974 г. проседание города уменьшилось до 2,5 см в год, что уже вполне приемлемо. Прекрасным образцом инженерного решения проблемы борьбы с проседанием грунтов является Латиноамериканская башня. Это 43-этажное административное здание, построенное в 1951 г., было установлено на сваях, которые на 34 м погружены в грунт и достигают толщи песчаника. В окружающем здание районе вода из глин не откачивается, и породы поэтому не испытывают дополнительного уплотнения. Латиноамериканская башня расположена всего в одном квартале от Дворца изящных искусств, однако вход в нее соответствует уровню земли.