Безопасность плотин и землетрясения

При землетрясении Сан-Фернандо в 1971 г. едва не произош­ла большая трагедия в южной Калифорнии севернее Лос-Анджелеса. Нижняя плотина гидротехнического комплекса Ван-Норман, расположенная менее чем в 10 км от вскрывшегося разлома, была построена за 30 лет до этого момента с использованием обычного тогда метода намыва земляной дамбы. После наполнения водохранилища на плотину стала действовать дополнительная гидравлическая нагрузка. Во время землетрясения 1971 г. произошел крупный оползень намытого грунта с плотины в сторону водохранилища; над водой осталось только около метра высоты нижней стороны плотины, что и не позволило воде прорваться на густо населенные пригороды Лос-Анджелеса. К счастью, в этот момент водохранилище было наполнено не до максимального уровня, а крошечный земляной порог плотины не разрушился и сдерживал воду до тех пор, пока ее не удалось спустить. Тем временем из опасного района (ниже плотины) было эвакуировано 80 тысяч человек.

Этот случай наглядно продемонстрировал важность оценки сейсмического риска на участках будущего гидротехнического строительства. Земляная или бетонная плотина-это не просто дорогостоящее сооружение: она непосредственно влияет на экономику района, обеспечивая производство энергии, контроль паводков и ирригацию. Обрушение крупной плотины приводит к внезапному затоплению поймы, и ввиду роста населения это означает все более тяжелое бедствие для огромной массы людей. Такая опасность вполне реальна: действительно, во многих странах крупные плотины построены в областях, где в прошлом отмечались сильные землетрясения. При проектировании и после возведения этих плотин необходимо заботиться о безопасности населения, проживающего в районах ниже по течению, и не забывать о вероятности будущих разрушительных землетрясений. Несомненно, что геологические условия в районе строительства, в том числе условия образования оползней и разрывов, должны изучаться самым тщательным образом.

Помимо тех землетрясений, которые возникают в результате естественных причин, следует также учитывать любопытную связь между заполнением водохранилищ и землетрясениями. В различных странах отмечено уже по меньшей мере 13 случаев, когда под крупным водохранилищем или поблизости от него вскоре после заполнения возникали рои землетрясений.

Идея о том, что землетрясения могут провоцироваться тя­жестью поверхностных вод, не нова. Еще в 70-х годах прошлого века командование инженерных войск США отвергло предложе­ние о создании крупного водохранилища на месте озера Солтон-Си в южной Калифорнии, указав, что это может вызвать землетрясения. Первое конкретное свидетельство такого эффекта было получено в 1935 г. при наполнении водохранилища Мид позади плотины Гувер (высота 221 м), на границе штатов Невада и Аризона. Хотя некоторая местная сейсмичность, по-видимому, проявлялась там и до 1935 г., факт состоит в том, что после 1936 г. землетрясения в этом районе стали гораздо более частыми. Расположенные поблизости сейсмографы, введённые в действие в 1940 г., показали, что после самого сильного в районе землетрясения 1940 г. (с магнитудой около 5) сейсмичность стала убывать. Гипоцентры сотен отмеченных землетрясений группировались вдоль крутых разломов на восточной стороне озера и располагались на глубинах менее 8 км.

В последующие годы такие же явления отмечались в районах крупных плотин в нескольких десятках случаев, но только немно­гие из них хорошо документированы. Большинство этих плотин имеет высоту более 100 м, и, хотя геологическая обстановка вокруг них различна, наиболее убедительные примеры землетрясе­ний, вызванных заполнением водохранилища, относятся к тектонически активным районам с уже отмечавшимися раньше, по крайней мере слабыми, землетрясениями. По всему миру возве­дены теперь тысячи крупных плотин, и в большинстве случаев не отмечено никакой связи между заполнением водохранилищ и землетрясениями; в США из 500 детально обследованных крупных плотин только для 4%, согласно данным на 1976 г., имелись све­дения о землетрясениях с магнитудой более 3,0 на расстояниях до 16 км от плотины.

Особый интерес представляют следующие четыре хорошо изученных примера землетрясений, вызванных заполнением искусственных водоемов. Первый пример-водохранилище Кариба в Замбии, запертое 128-метровой плотиной. Наполнение его началось в 1958 г. Хотя перед постройкой плотины были известны некоторые данные о слабых землетрясениях в ее районе, к 1963 г., когда водохранилище было заполнено до проектного уровня, расположенные поблизости сейсмографы отметили уже более 2000 местных толчков, главным образом прямо под водохранилищем. Самый крупный толчок с магнитудой 5,8 произошел в сентябре 1963 г., после чего активность стала убывать.

Следующий пример-землетрясение Койна (Индия) с магни­тудой 6,5, центр которого располагался недалеко от плотины (высотой 103 м). Землетрясение, вызвавшее значительные разру­шения, произошло 11 декабря 1967 г. После того как в 1962 г. стала возрастать нагрузка воды, начали поступать сведения о местных сотрясениях, происходивших главным образом в области, которая раньше считалась асейсмичной. Сейсмографы показали, что очаги землетрясений группируются на небольшой глубине под водохранилищем. В 1967 г. возник ряд крупных землетрясений, который завершился 11 декабря главным толчком с магнитудой 6,5. Этот толчок вызвал существенное повреждение расположенных поблизости зданий; погибло 177 человек, ранено было больше 1500. Сейсмограф для записи сильных движений, установленный в галерее плотины, показал максимальное ускорение 0,63. Серия землетрясений, записанных в Койне, совпадала по ритму с выпадением дождей (рис.). Сравнение частоты землетрясений и колебаний уровня воды позволяет по меньшей мере предполагать, что сейсмичность возрастала спустя несколько месяцев после каждого сезона дождей, когда уровень заполнения водохранилища был наибольшим. В других известных теперь примерах такая корреляция не столь очевидна.

Еще одна серия землетрясений, которые определенно были вызваны заполнением водохранилища, была отмечена в Китае к северу от Гуанчжоу. Строительство плотины по реке Синьфын высотой 105 м было закончено в 1959 г., после чего стало отмечаться возрастающее число, местных землетрясений, причем в 1972 г. их произошло более 250 тысяч. Конечно, в основном это были очень слабые толчки, но 19 марта 1962 г. произошло сильное землетрясение с магнитудой 6,1. Выделившейся энергии оказалось достаточно, чтобы повредить бетонную плотину. Для ее укрепления потребовалось частично спустить воду. Большин­ство землетрясений возникло на глубине менее 10 км; очаги были приурочены к тому участку, где глубина водохранилища была наибольшей, а некоторые гипоцентры совпали с пересечениями главных разломов этого района.

Для последнего из приводимых нами здесь примеров данные не полны. Речь идет о массивной Нурекской плотине (высотой 317 м), возведенной в Таджикистане, — самой высокой насыпной плотине мира. Уже в 1972 г., когда строительство еще не было закончено, но наполнение водохранилища началось, появились сообщения о возрастании местной сейсмичности. В момент написания этой статьи планировалось, что полная величина нагрузки водохранилища на земную кору будет достигнута к 1978 г.; в ближайшие годы будет очень интересно проследить, возникнет ли где-нибудь поблизости землетрясение и как оно повлияет на это крупное инженерное сооружение.

Каким образом вода, наполняющая большой резервуар, способствует возникновению землетрясений? Едва ли можно считать, что это полностью обусловлено добавочным весом воды, действующим на подстилающие породы: на глубине нескольких километров под водохранилищем такое добавочное давление составляет всего лишь малую долю от уже существующих естественных тектонических напряжений. (Расчеты показывают, что на глубине в несколько километров добавка скалывающего напряжения составляет какие-то доли бара.) Более правдоподобное объяснение — тот самый спусковой механизм, который привел к землетрясениям в Денвере и Рейнджли и уже рассматривался выше. В общих чертах этот механизм выглядит следую­щим образом. Дополнительное давление воды, возникающее при наполнении водохранилища, передается в земную кору в виде волны или импульса такого давления. Вследствие небольшой скорости распространения этой волны ей требуется несколько месяцев или лет, чтобы преодолеть расстояние порядка 5 км, — в зависимости от проницаемости и степени раздробленности пород. Но когда импульс давления достигает зоны развития микротрещин, он способствует притоку в них воды и, таким образом, ослаблению тех сил, которые препятствуют развитию проскальзывания и упругой отдачи по разломам под действием уже существующей в породе тектонической упругой деформации.

Если на площади, где существует вероятность возникновения землетрясений, предполагается строить плотину, необходимо принять определенные предварительные меры. Прежде всего не­зависимо от того, идет ли речь о естественных или о возбужденных землетрясениях, надо уже на стадии проектирования оценить интенсивность колебаний грунта, которую сооружение должно выдержать в течение срока службы. Полезно также до начала строительства выполнить геодезическую съемку района, чтобы можно было обнаружить любые новые деформации земной коры, связанные с заполнением водохранилища.

Кроме того, для изучения воздействия сейсмических толчков на ранней стадии строительства надо установить сейсмографы и другое оборудование. Важно также устано­вить мареографы, по которым можно будет измерять в водохранилище крупные волны (сейши). В случае отсутствия записывающих приборов, предназначенных для измерения интенсивности сейсмических колебаний и реакции плотины, сильное землетрясение с близким очагом поставит вопросы, на которые не удастся ответить. Если, например, возникнут повреждения конструкции плотины, а необходимые измерения выполнены не будут, то окажется невозможным сравнить поведение плотины с проектными условиями сейсмостойкости. Следовательно, нельзя будет судить о том, как данное сооружение будет реагировать на более сильные толчки; невозможно будет и принять надлежащее решение о ремонте и укреплении плотины.

Источник: Энциклопедия безопасности