Тони Уолтхэм - Катастрофы: неистовая Земля
Что же ждет знаменитую Пизанскую башню? Она вполне может быть зафиксирована в ее теперешнем положении путем подведения фундаментов и закрепления их на слое песка, лежащем на глубине 39,7 м. Уже было испробовано впрыскивание жидкого цементного раствора в подстилающие осадки, однако это не дало заметных результатов. Надо искать какое-то другое смелое решение, причем необходимо учитывать тот факт, что работать придется под такой слабоуравновешенной постройкой. Предложен ряд проектов укрепления башни. При благоприятном стечении обстоятельств они будут успешно проведены в жизнь, в противном случае Пизанская башня сможет продержаться еще примерно столетие.
Проседание при удалении грунтовых жидкостей
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.
