Тонущие города - Разумов Геннадий Александрович
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.
