Катастрофы: неистовая Земля

Многие старые водохранилища на Ближнем Востоке теперь заполнены осадками. Подобное явление наблюдается и на новых сооружениях; например, водохранилище у плотины Остин в Техасе было на 95 % забито илом через 15 лет после завершения строительства плотины. Несмотря на то что в массовом масштабе бороться с заиливанием трудно, история водохранилища Мак-миллан на реке Пекос (запад Соединенных Штатов) обнадеживает. Водохранилище было быстро заполнено илом почти наполовину; затем в верхней части водосбора реки Пекос был высажен тамариск, после чего заиливание фактически прекратилось и водохранилище удалось спасти. В том случае, когда подобный биологический контроль отсутствует, единственный способ избежать полного заполнения водохранилищ осадками — это периодическое дренирование и очистка от ила. Очистные шлюзы во многих современных плотинах расположены глубоко, и ил легко удаляется при помощи воды, движущейся с большой скоростью.

Заиливание водохранилищ или фильтрация из них воды может нанести значительный экономический ущерб, однако гораздо опаснее обрушение плотин. Наводнения при обрушении возникают довольно редко, но при их ужасающих масштабах и отсутствии системы оповещения это может обернуться катастрофой для расположенных ниже по течению деревень и городов.

Геологические проблемы при закладке плотин

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.