Ночь 31 мая 1889 г. в городе Джонстаун в штате Пенсильвания была тревожной: уже трое суток, не переставая, шел проливной дождь, вода в реке Литл-Коунмаф резко поднялась и грозила затопить низкие районы города. Однако еще большую тревогу вызывала плотина Саут-Форк, находившаяся в 16 км вверх по течению и сдерживавшая воды в заполненном до краев водохранилище. Эта старая кам-ненабросная плотина была в плохом состоянии: слишком маленькие водосбросы частично забились растительностью и обломочным материалом и не могли поэтому играть существенной роли в регулировании уровня воды. Подъем воды происходил гораздо быстрее стока и в течение ночи все водосбросы были затоплены. Вода перелилась через край водохранилища и размыла главную насыпь плотины, образовав широкий пролом во всю ее 23-метровую высоту. В одно мгновение вся вода водохранилища превратилась в гигантскую волну и ринулась вниз… Она пронеслась по долине, затопила пойму реки и практически в мгновение ока смыла город Джонстаун с лица Земли. В массе воды, несшей обломки камней и разрушенных зданий, утонуло 2209 человек.

Вода — совершенно уникальный материал; ее объемы огромны, она необходима для жизни, но, выйдя из-под контроля, может вызвать ужасные разрушения. Наводнение в Джонстауне служит прекрасным примером огромной разрушительной силы воды. Совершенно очевидно, что любое водохранилище, воды которого удерживаются плотиной, является для жителей расположенной внизу долины своего рода бомбой замедленного действия, точное время взрыва которой неизвестно.

Плотины могут разрушаться по трем причинам.

Во-первых, это происходит, если конструкция плотины не отвечает ее назначению (в чем обычно виноват проектировщик). Простое обрушение бетонной или каменной плотины наблюдается редко, однако внутренняя эрозия земляных плотин была и до сих пор остается вполне обычным явлением.

Во-вторых, вода может перелиться через плотину, и тогда (особенно, если плотина — земляная) эрозия происходит настолько быстро, что обрушение совершается почти мгновенно. Именно это случилось с плотиной Саут-Форк в Джонстауне. Причиной катастрофы были гидрологические и метеорологические условия, а также конструкция водосбросов.

Третья причина обрушения плотин — разрушение фундамента. Этот тип катастроф происходит крайне редко, но основы его — чисто геологические. Технология гражданского строительства в наши дни достигла столь высокого уровня, что сооружения можно возводить практически на любом грунте, однако при строительстве плотин геологические факторы все еще оказывают большое влияние на выбор конструкции, о чем наглядно свидетельствуют обрушения плотин.

Еще одной характерной особенностью катастрофы в Джонстауне было расположение города в пойме реки вниз по течению от плотины: поймы по своей природе весьма подвержены затоплению во время наводнений независимо от того, вызвано ли наводнение антропогенным воздействием или же является следствием естественных причин. Поскольку речное наводнение в основном обусловлено особенностями рельефа, геологические и геоморфологические исследования играют важную роль в выделении опасных участков, подверженных периодическому затоплению, которое может происходить через столь длительные интервалы времени, что не всегда есть исторические факты, на которые мы могли бы опираться. Гибельным может быть и отсутствие воды, вызванное капризами климата или тем, что человек изменил русло природных источников. Загрязнение воды, особенно запасов грунтовых вод, заиливание водохранилищ могут повлечь за собой ряд гидрологических проблем, природа и масштаб которых также в значительной мере контролируются геологическими причинами. Однако и обрушения плотин, и любые другие бедствия, вызванные вмешательством человека и его неспособностью управлять водными ресурсами, — все это меркнет в сравнении с масштабом естественных наводнений, где человек является лишь простым участником или свидетелем.

 

Пойменные наводнения

Пойма реки представляет собой почти плоский участок долины, который граничит с рекой и выполнен пластами осадков, отложившихся в те периоды, когда река выходила из берегов. В узких долинах с крутыми склонами, в горных районах поймы вообще отсутствуют, тогда как ширина поймы большой и сложной системы рек низменности может превышать 100 км. Река обычно отлагает осадки в своем русле в сезон минимального стока. В периоды максимального стока река заливает пойму, которая как бы предназначена для наводнений.

К сожалению, берега рек всегда были привлекательным местом для заселения. Города обычно вырастали на крутых берегах и террасах неподалеку от рек, поскольку земля в поймах очень плодородна и ее легко обрабатывать и орошать. Лондон, Париж и Вашингтон располагаются на нескольких речных террасах над современными долинами рек. В том случае, если город находится на безопасной террасе, периодическое затапливание поймы может быть весьма полезным —¦ всем хорошо известно плодородие ила, накопившегося за время ежегодных разливов Нила. Однако города строились, расширялись и занимали сами поймы, где зданиям и людям грозила непосредственная опасность. Установлено, что в настоящее время в одних лишь Соединенных Штатах Америки 10 миллионов человек живут на участках, подверженных затоплению.

Масштабы опасности при наводнениях могут быть весьма разными; наиболее яркими примерами тому служат некоторые реки в Азии. Разливы великой реки Янцзы в Китае происходят редко, однако подъемы уровня воды бывают весьма значительными. Так, в 1871 г. ниже города Чунцин высота воды в реке, протекающей здесь в ущельях, превысила нормальный средний уровень на 80 м. После такого феноменального подъема последовал резкий спад уровня воды, что едва не стало причиной катастрофы: во время быстрого понижения уровня воды плывший по реке пароход оказался как раз над затопленной скалой и очень плавно на нее опустился. После того как уровень ьоды в реке вернулся к обычной средней норме, пароход очутился в плену на скале, возвышаясь на 35 м над рекой. Утверждают, что во время разлива реки Янцзы в 1954 г. из нижней долины было эвакуировано Ю миллионов человек (хотя эта цифра, возможно, и завышена Из политических соображений).

На севере Индии река Ганг образует обширную пойму, где мощность осадков превышает 10,5 км. Ежегодно во время муссон-ных дождей Ганг разливается. Для значительной части территории, геоморфологические особенности которой обеспечивают некоторый наклон местности, эти разливы не представляют явной опасности. Однако этого нельзя сказать о районе, где к дельте Ганга присоединяется и дельта реки Брахмапутра, что занимает большую часть равнинной территории Бангладеш. В ноябре 1970 г. произошел разлив этих рек, обусловленный сочетанием резкого подъема уровня воды, высокого прилива и сильного берегового циклона. Был затоплен участок дельты площадью более 10 000 км2 с многими населенными пунктами, погибло более миллиона человек.

Река Ганг разливается каждый год, но сильные паводки бывают довольно редко. Длительные наблюдения за уровнем воды в реке показали, что существует определенная взаимосвязь между силой наводнений и интервалами их повторения, а именно: повышения уровня почти пропорциональны логарифму интервала. Поэтому маловероятно, чтобы наводнение 50-летнего цикла повторилось в годовом интервале. Эта идея может оказать неоценимую помощь при планировании застройки речных долин. Хотя хозяйственное значение района, затапливаемого во время ежегодных разливов Ганга, не подлежит сомнению, совершенно ясно, что экономически невыгодно, например, строить дом, рассчитанный на существование 100 лет, в той части равнины, которая затапливается каждые 20 лет. Следовательно, при планировании застройки пойменных районов или использования их земель необходимо учитывать интервал повторения наводнений. Но в Великобритании границу опасной зоны обычно проводят на уровне наводнений 1947 г., вызванных таянием снегов; этот уровень отвечает высоте паводков, которые могут быть один раз в 100–200 лет.

Частота и сила наводнений, несомненно, зависят от местных и региональных погодных и климатических условий. Значительное влияние оказывают и такие факторы, как поглощающий воду растительный покров, способствующая стоку крутизна склонов, профиль русла, который может либо сглаживать последствчя паводков, либо, напротив, усугублять их. Сильный дождь в начале зимы может иметь страшные последствия, если дождевая вода попадает на глинистые почвы, покрывшиеся за время жаркого и сухого лета жесткой спекшейся коркой. В 1973 г. при наводнении такого типа в южной Испании погибло 150 человек; река разлилась, вышла из берегов и разрушила дома, простоявшие уже больше века,

Катастрофические наводнения возникают и во время редких бурь в семиаридных районах. В 1972 г. на город Рапид-Сити в Южной Дакоте обрушилось наводнение 2000-летнего цикла; вода пронеслась вниз по каньону и вызвала ужасные разрушения, погибло 237 человек. С тех пор строительство на участке, затапливаемом при разливе реки, практически не велось; там был разбит парк.

Огромное влияние на характер затопления оказывают коренные породы. Водопроницаемые породы, например песчаники или известняки, могут свести к минимуму последствия слабых и даже средних наводнений. Но очень сильное наводнение может причинить значительный ущерб в районах, сложенных известняком, поскольку обычно сухие здесь долины мгновенно заполняются таким огромным количеством воды, что система подземного дренажа ее не вмещает и затопление, естественно, распространяется на большие площади, в том числе и на заселенные.

Наводнения 1968 г. в городе Сомерсет (горы Мендип-Хиллс) продемонстрировали эрозионную силу рек в долинах, пересеченных сплошными полезащитными и дорожными насыпями.

Необычная геологическая обстановка наблюдается над городом Карас в Перуанских Андах, где озеро перегорожено естественным барьером из полупроницаемой ледниковой морены, через которую постоянно фильтруется вода, вытекающая из озера. Все здесь пока спокойно и хорошо, но такая кажущаяся устойчивость обманчива: если об/ем воды, поступающей в озеро, превысит проницаемость морены, вода мгновенно перельется через барьер, эродирует его и тогда вниз по течению — туда, где в пойме расположен город Карас, — устремится огромная волна.

В связи с тем что во всем мире поймы рек густо заселены, борьба с наводнениями стала важным аспектом гражданского строительства. Вести ее можно различными путями. Осуществляется, например, строительство противопаводковых водохранилищ. Обычно ьх не заполняют водой до краев, чтобы сделать это в паводковый поток. Затем вся вода сбрасывается с меньшей скоростью и в течение более длительного времени. Конечно, не с каждым наводнением можно бороться таким образом, но сейчас почти каждое третье водохранилище в Соединенных Штатах служит этой цели. В 1974 г. разлив реки Брисбейн в Австралии наглядно продемонстрировал несовершенство противопаводковых плотин. Еще хуже обстояло дело во время наводнения 1966 г. во Флоренции, когда после двух суток проливных дождей слишком рано был начат сброс воды из-под двух противопаводковых плотин, и вода достигла города в самый разгар наводнения.

Самый действенный способ регулирования уровня воды в реках — это строительство искусственных дамб или наращивание высоты естественных берегов. За исключением некоторых плотин в черте города, эти сооружения обычно представляют собой земляные насыпи, достаточно высокие, расположенные через относительно большие (15 км и реже) интервалы; такие плотины должны остановить любое наводнение и защитить остальные участки поймы. g нижнем течении реки Миссисипи общая протяженность подобных защитных сооружений составляет к настоящему времени 3500 км. Кроме того, дамбы окружают здесь многие города и селения. К сожалению, и плотины не гарантируют полной защиты от наводнений. Иногда они даже приводят к более серьезным последствиям, чем сам паводок, поскольку вода может перелиться через край плотины или образовать в ней пролом и устремиться вниз со значительной скоростью. Тогда наводнение в пойме может стать более разрушительным, чем оно было бы при отсутствии дамбы.

Наводнение в долине Миссисипи в 1973 г. было самым сильным из всех здесь известных, ущерб составил 420 млн. долл., однако, не будь защитных плотин, он возрос бы почти вдвое. На Миссисипи применялись и многие другие способы защиты от наводнений. Сокращение меандр может уменьшить длину реки, сделав уклон более крутым, что будет способствовать затоплению резервных площадей. В 1933–1936 гг. протяженность нижнего течения реки Миссисипи была укорочена подобным образом на 13 %. Размер аварийных водоотводов можно значительно варьировать. Характерной чертой тропических городов являются выложенные бетоном дождевые водостоки, сухие большую часть года. Таковы, например, отводные канавы на Миссисипи, направленные в сторону распределительного канала Атчафалай и озера Понтчар-трейн.

Если водосборная площадь реки меньше чем у Миссисипи, то значительно сократить распространение наводнения можно путем правильного планирования землепользования и размещения растительности.

Недостаток мер по борьбе с наводнениями заключается в том, что эти меры сами в какой-то степени явятся источником опасности. Мы уже говорили о возможности проломов в дамбах, но, кроме того, иногда переоценивают и защитную роль самих дамб. Так, в районе Лос-Анджелеса, где существует угроза землетрясений, противопаводковые плотины в каньонах, окружающих город, при сейсмических толчках могут обрушаться. Это едва не произошло в водохранилище Ван-Норман во время землетрясения 1971 г. в Сан-Фернандо; последствия такой катастрофы могли быть ужасными.

Кроме мероприятий по противопаводковой защите, ведется также районирование пойм по вероятности возникновения крупных наводнений. Для большинства рек исторические сведения достаточно точны, чтобы определить масштабы наводнений 40-летнего цикла, однако о силе наводнений других циклов, особенно в долинах с более крутыми склонами, можно лишь догадываться. Детальное геоморфологическое картирование, а также изучение аэрофотоснимков позволяют обнаруживать такие структурные особенности, как террасы, прирусловые отмели, зоны распространения различных речных осадков. Это помогает подразделить поймы на зоны по степени опасности возникновения крупных наводнений, планировать перенос старых городов на другое место, размещать новые застройки на потенциально менее опасных участках.

Город Шрусбери в графстве Шропшир находится на реке Северн; более 500 зданий расположено здесь в пойме реки, несмотря на то что строительство города осуществлялось в основном после 1947 г., когда правила планирования строительства стали более жесткими в связи с тем, что в течение 1947 г. в Англии произошло несколько сильных наводнений. Однако наводнение 1946 г. в Шрусбери, относящееся к 120-летнему циклу, было еще сильнее, и в настоящее время именно по нему определяют опасную зону, не подлежащую застройке. На участке, который в 1946 г. был покрыт водой, разбиты лишь парки и спортивные площадки, а новые здания заложены гораздо выше уровня этого наводнения. Важно также сводить к минимуму масштабы строительства там, где застройка разрешена, но опасность наводнения не исключается. В ряде городов идут по иному пути; в Нью-Джерси, например, при строительстве зданий предусматривают возможность свободного течения под ними вод в случае наводнений 125-летнего цикла. В ряде других городов Америки в высотных зданиях, расположенных в поймах, нижние этажи отводят под стоянки автомашин, стен при этом не сооружают.

Некоторые промышленные предприятия приходится размещать в активных поймах, но жилые дома и такие постройки, как больницы, никогда не следует возводить в столь опасных зонах. Однако на практике картина бывает несколько иной, о чем свидетельствуют два примера катастроф, несоизмеримых по своим масштабам.

Линмут — привлекательная деревушка, завоевавшая популярность среди туристов. Расположена она на побережье северного Девона, в узкой Y-образной долине у слияния рек Ист-Лин и Уэст-Лин. Площади водосбора обеих рек состоят из крутых, узких ущелий в почти водонепроницаемых сланцах и крупнозернистых песчаниках Эксмур, и паводковая вода всегда настолько быстро несется вниз по течению, что предупредить об опасности заблаговременно бывает невозможно.

В августе 1952 г. две недели, не переставая, лил дождь, и земля насквозь промокла; в довершение 15 августа над Эксмуром разразилась сильнейшая буря. Среднее количество осадков на всей площади водосбора реки Лин, превышающей 100 000 км2, составило 142 мм, причем больше всего их выпало в бассейне реки Уэст-Лин. Началось наводнение. Потоки бушующей воды обрушились на деревушку. В самый разгар наводнения сток в Линмуте достигал 510 м3 в секунду, это можно сравнить с сильнейшим наводнением на Темзе. Деревня была залита водой, главным образом наличием множества узких старых русел, пересекающих деревню. В такой узкой долине, как у реки Уэст-Лин, едва ли можно говорить о пойме, однако здесь есть четко выраженная зона, которая затапливается при любой скорости течения, как только вода выходит из нормального русла. При планировании поселка было разрешено строить у реки дома и отели, что в значительной степени разрушило берега. Однако худшим было другое — высота арки моста через реку Уэст-Лин оказалась вдвое меньше необходимой, чтобы беспрепятственно пропустить воды наводнения. При возведении построек в поселке и сооружении моста совершенно не учитывались имевшиеся данные о сильных наводнениях 1607 и 1769 г., последнее, судя по описаниям, было гораздо сильнее наводнения 1952 г.

Последствия застройки в такой опасной зоне можно было заранее предсказать. Вода затопила деревню, и река Уэст-Лин проложила новое русло там, где ее движению не мешал мост. За те несколько часов, что продолжалось наводнение, были смыты здания, мосты и дороги и пострадало 34 человека. Но это был еще счастливый исход. Валуны до 10 т и больше сносились водой вниз по крутым руслам рек и обрушивались на дома, круша их; после отступления воды вся деревня была завалена огромными каменными глыбами. Ущерб усугубился тем, что сильные волны, возникшие в результате обрушения временных плотин, образовали из деревьев и оползневых масс огромные завалы.

После катастрофы деревня Линмут была отстроена заново на том же самом привлекательном месте, поскольку выбора практически не было — вдоль всего побережья протягиваются только узкие долины. Однако теперь деревня выглядит по-иному: в самом ее центре прорыты глубокие, большие, правильной формы каналы. Сейчас реки почти теряются на дне каналов, но эти долгосрочные меры предосторожности сделали Линмут гораздо более безопасным местом.

Хуанхэ в переводе с китайского означает «Желтая река», но она известна и под другим названием — «Скорбь Китая». Эта удивительная река пользуется недоброй славой; она послужила причиной гибели гораздо большего числа людей, чем любой другой объект земной поверхности. Причиной тому — ее совершенно уникальная морфология: почти 4000 км река протекает среди гор и по плато в северном Китае и, размывая на своем пути рыхлые лёссовые породы, захватывает огромные количества ила. Когда вода достигает города Кайфын, она почти на 40 % состоит из желтого ила (отсюда и название реки). От Кайфына река течет еще 800 км к морю через огромную Желтую равнину, представляющую собой, по существу, огромный аллювиальный конус выноса, падающий более круто, чем истинная дельта, ширина которой также 800 км. Дельта располагается по обеим сторонам от гор Шаньдун, которые когда-то, вероятно, были островом.

От Кайфына по равнине в разные стороны расходятся 15 русел. Каждый раз, когда воды Хуанхэ выступают из берегов, происходят сильные наводнения, а по окончании разлива река продолжает течь по одному из этих русел.

Равнина по берегам реки густо населена, и число жертв наводнений здесь достигает астрономической цифры; кроме того, гибнет урожай, что вызывает голод и сеет смерть.

Хронология основных событий в истории этой реки говорит сама за себя.

2356 г. до н. э. — после сильного наводнения река впадала в залив Джили у города Тяньцзинь.

602 г. до н. э. — усиление наводнений навело на мысль о строительстве первых дамб; в этом году Хуанхэ вместе с рекой Хуайхэ стала впадать непосредственно в Желтое море.

69 г. н. э. — на равнине уже была создана единая серия дамб, но река продолжала менять русла в интервале между современным ее ложем и самым северным руслом, впадающим в тот же залив Джили у Тяньцзиня.

1324 г. — река возвратилась в свое южное русло и вместе с рекой Хуайхэ стала опять впадать в Желтое море.

1851 г. — река повернула на север и потекла по своему современному руслу.

1887 г. — в результате сильного наводнения 2 000 000 людей утонуло и умерло от голода.

1931 г. — самое сильное наводнение из когда-либо происходивших, погибло 3 700 000 человек.

1938 г. — в дамбах были устроены шлюзы, чтобы, спустив через них воду, остановить наступление японской армии; воды Хуанхэ, потекшие по новым руслам, действительно задержали захватчиков, но при этом погибло около полумиллиона местных жителей.

1947 г. — после ремонта дамб река была возвращена в свое современное русло.

Масштабы этих наводнений определить трудно. При каждом значительном изменении русла реки ее устье перемещалось примерно на 435 км. Это то же самое, как если бы Темза вдруг стала впадать в Северное море у Ньюкасла, а Колумбия потекла бы в Тихий океан через северную Калифорнию. Наводнение 1933 г. не было самым сильным, но тем не менее сток превысил 23 000 м3 в секунду и в пойме реки отложилось около 17 млрд. м3 ила.

Плотины, сооружение которых было начато более 2500 лет назад, необходимо постоянно перестраивать; эти работы ведутся трудоемкими ручными методами, которыми так славятся китайцы, поскольку надстраивать дамбы можно только илом. В связи с постоянным наращиванием высоты плотин река Хуанхэ теперь пересекает равнину, протекая примерно на 75 м выше уровня окружающей местности между внутренними и внешними дамбами, образующими пояс шириной 20 км. Причиной всему этому —¦ ил, поскольку он постоянно осаждается в русле, и уровень воды в реке поднимается еще выше, поэтому перед китайцами стоит буквально бесконечная задача постоянной достройки дамб. В связи с этим у Хуанхэ на протяжении более чем 650 км теперь нет притоков, и многие люди живут ниже уровня реки под постоянной угрозой наводнения. На равнине нет холмов, и в случае наводнения спасаться негде.

Средняя площадь ежегодно затапливаемого участка составляет около 8300 км2. Так как окружающая равнина расположена ниже уровня реки, она не осушается и остается затопленной до самого горизонта в течение всего года. Поэтому совершенно необходимо постоянно наблюдать за течением реки, поскольку даже и мелкие промоины в дамбах на реке Хуанхэ и на других реках Желтой равнины починить трудно из-за отсутствия поблизости каменного материала, который надо привозить за сотни километров. Несомненно, очень опасно жить в этом районе, где единственной возвышенностью является искусственно созданная насыпь, по которой течет часто разливающаяся капризная река.

Примерно до 2000 г. до н. э. река Хуанхэ находилась на уровне равнины, но, как было отмечено выше, из-за частых наводнений пришлось построить дамбы, а потом выйти из этого порочного круга уже было невозможно. Теперь угроза наводнения и затопления окрестной равнины стала постоянной. Река Хуанхэ не только создала Желтую равнину, но и до сих пор продолжает господствовать над ней, не обращая внимания на усилия и суету человека.

 

Опасности при мероприятиях по водоснабжению

Круговорот воды — постоянный процесс огромных масштабов, но его равновесие очень легко нарушить. Особенно четко это проявляется в том случае, когда человек пытается видоизменить круговорот воды или непродуманно его использовать. В конечном итоге трудно определить, в какой мере человек без вреда может воздействовать на природные процессы, поскольку информация о происходящих при этом изменениях поступает лишь через значительный интервал времени, когда часто бывает уже слишком поздно. Водопотребление, землепользование, характер растительности, скорость испарения, воздействия на климат в местном или региональном масштабе — все это связано в единую цепную реакцию, которую человек может вызвать, нарушив каким-то образом одно из звеньев.

Существует научная школа, представители которой считают, что чрезмерная откачка грунтовых вод, выращивание сельскохозяйственной продукции и активный выпас скота в области Сахель — полосе плодородной земли к югу от великой пустыни Сахара — послужили причиной неоднократных ужасных засух в этом районе, из-за которых пустыня продвигается все дальше и дальше к югу. Требуют изучения планы изменить течение рек, впадающих в Северный Ледовитый океан, и направить их к югу, чтобы использовать воду для ирригации в районе Каспийского моря. Неизвестно, какое воздействие это может оказать на климат. Весьма вероятно, что перемещение воды в таком масштабе может вызвать изменения климата.

При более мелкомасштабных мероприятиях по эксплуатации водных ресурсов воздействие на климат выявить гораздо легче и гораздо большее значение приобретают геологические условия. Одна из наиболее знаменитых схем использования водных ресурсов рек — это схема, применяемая на реке Колорадо на юго-западе Соединенных|Штатов. Благодаря ей южная Калифорния и Аризона превратились из пустыни в экономически важные районы, но при этом возникли различные проблемы, особенно в районах, расположенных в нижнем течении реки.

Вскоре после того как вода от плотины Импириал-Дам была отведена на запад по каналам, она вышла из искусственного русла и с января 1905 г. по февраль 1907 г. текла в ранее сухой бассейн пустыни. В результате образовалось соленое озеро Сол-тон-Си. Однако самые серьезные проблемы возникли в главном русле реки, где "^вследствие забора большого количества высоко-качественных'вод сток на территорию Мексики настолько понизился, что вода в реке стала слишком соленой даже для использования'ее в сельском хозяйстве.

Из-за высокой скорости испарения соленые грунтовые воды необходимо постоянно откачивать из песчаных почв, прежде чем они достигнут того уровня, где располагаются корни зерновых культур. Эти соленые воды, главным образом из долины" реки Хила, в настоящее время на значительных расстояниях заключают в каналы и сбрасывают в реку Колорадо ниже последней ирригационной очистной плотины. Из-за этих действий постоянно возникают конфликты и ведутся политические дебаты, поскольку мексиканцы, живущие на более бедных участках земли в дельте реки Колорадо, практически лишены пресной воды.

Проблема загрязнения касается также и некоторых грунтовых вод. Принято считать, что вода из земли должна быть чище, чем из реки. Это справедливо лишь в том случае, если грунтовые воды хорошо фильтруются, просачиваясь через породы водоносного горизонта. Однако если вода проходит очень небольшое расстояние и через породы с крупными открытыми порами, обладающие низкой фильтрующей способностью, такие как гравий или известняк, очищение отнюдь не достигается. Движение воды и примесей в гравии зависит от местных гидравлических градиентов, в трещиноватых либо ячеистых известняках и даже в меле влияние местных геологических условий сказывается еще сильнее.

В 1969 г. источники водоснабжения в поселке Ашуик-Гроув (Мендип-Хиллс) были сильно загрязнены фенолами. Оказалось, что фенолы поступали из силосных жидкостей, стекавших с фермы в водосточный колодец в километре от поселка и проходивших через пористый известняк карбонового возраста. Такие же известняки были причиной ужасного случая в районе Баллимасел-лиготт близ города Трали в южной Ирландии. Проведенная здесь в 1962 г. проверка нескольких сточных колодцев и соединяющих их протоков показала, что к реке в поселке Те-Райзинг «ходит на водопой скот, но ею пользуются и как источником водоснабжения жители фермы и нескольких коттеджей, а также работники маслобойни, после того как эта вода уже дважды служила для водопойных и других целей и один раз (когда текла под землей) играла роль канализации».

На известняковых равнинах в южной и центральной частях Соединенных Штатов в течение длительного времени наблюдалось загрязнение грунтовых вод из подземной канализации, трубы которой заканчиваются под землей как раз в таких сериях пород. Воронки обрушения с крутыми склонами представляют собой очень удобные отвалы для мусора в том случае, если они окружены безлюдной равнинной местностью; однако в штате Миссури было установлено, что очень часто нефильтрованная вода прямо из этих отвалов попадает в источники, используемые для водоснабжения.

Жители города Хорс-Кейв на известняковой равнине в штате Кентукки обычно берут воду из многочисленных колодцев, но во время засухи 1930 г. многие колодцы пересохли и воду стали доставать из подземной реки Хидден-Ривер-Кейв. В то время еще не знали, что эта река в пещере фактически захватывала почти

Всё воды из местной канализационной системы, стекавшие в известняк. В результате в городе вспыхнула эпидемия брюшного тифа. После этого воду из подземной реки уже не извлекали, но в нее продолжало поступать все больше и больше сточных вод. В 1944 г. пещера Хидден-Ривер-Кейв была закрыта для туристов из-за возникшего здесь зловония.

Установлено, что случайное или «незапланированное» загрязнение карстовых воронок приводит к загрязнению воды на расстоянии 8 км и более. Как в гравии, так и в песчанике системы дренирования сточных вод и системы извлечения питьевой воды нельзя располагать рядом; в трещиноватых известняках безопасный интервал между этими системами можно определить лишь после многочисленных опытов по трассированию воды с применением красителей, что позволяет выявить направления движения грунтовых вод.

Вмешательство человека в естественное движение воды также может вызвать нежелательные осложнения и создать проблемы, особенно в том случае, когда водохранилища запружены плотинами. Чтобы водохранилище сохранилось на известняках, необходима обработка грунта жидким цементным раствором, который делает породу водонепроницаемой. Об успехе подобной цементации можно судить по некоторым водохранилищам, расположенным на известняке в таких странах, как Югославия и Франция, но совершенно необходимо, чтобы при возведении конструкций учитывались геологические условия. На реке Миссури есть несколько небольших старых плотин, не оправдавших своего назначения из-за того, что под покровом слабопроницаемых поверхностных осадков залегали известняки. Последовательность событий, произошедших в водохранилище Дин-У-Дэвис близ южной границы штата, можно установить по тому факту, что высохший бассейн этого водохранилища был переименован в заказник Дин-У-Дэвис.

Для водохранилищ характерна еще одна проблема: они заполняются илом до тех пор, пока воды в них уже совсем не останется. Этого, к сожалению, нельзя избежать. В водохранилищах могут отлагаться осадки рек, несущих ил либо текущих в районах с легкоэродируемыми породами, такими как лёсс, глина, рыхлый песчаник. В связи с этим время существования водохранилища ограничено. Рассчитано, что даже огромное озеро Мид, перегороженное плотиной Хувер на западе США, будет заполнено илом примерно через 400 лет, так как река Колорадо приносит в него колоссальные количества ила и песка. Огромные новые водохранилища, созданные в рыхлых отложениях бассейна реки Инд в Пакистане, быстро заполняются илом, и, возможно, через 100 лет гигантская плотина Тарбелла будет сдерживать уже ил, а не воду. Расположенная недалеко от нее плотина Мангла сконструирована таким образом, чтобы в будущем ее высоту можно было нарастить.

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.

Впоследствии было установлено, что частичное избирательное растворение некоторых пластов известняка способствовало образованию подруслового потока и выветриванию глины. Участок, где располагалась плотина, стал безопасным лишь после того, как эти явления были приостановлены благодаря созданию отсекающего рва и «цементного занавеса» под плотиной (этот «занавес» представляет собой цементную перемычку, сооруженную путем нагнетания раствора через расположенные в линию буровые скважины).

Особенно опасным фундаментом для земляных плотин является водопроницаемая порода, которая может эродироваться изнутри в результате сильного просачивания воды. Самой ужасной катастрофой в Великобритании было обрушение плотины Дейл-Дайк над городом Шеффилд в 1854 г., когда погибло 250 человек. Эта земляная плотина подверглась сильной подпочвенной и поверхностной эрозии; кроме того, сыграла свою роль и водопроницаемость коренной породы — жернового (грубозернистого) песчаника, пропускавшего воду в тело плотины.

Известно, что неуплотненный аллювий настолько ненадежен с точки зрения прочности и проницаемости, что его обычно полностью удаляют, чтобы основание плотины легло на коренную породу. Последствия строительства на аллювии наглядно продемонстрировала плотина Пуэнтес на реке Гвадалентин (юго-восток Испании). Высота этой каменной плотины, построенной в 1791 г., была около 50 м, но когда водохранилище в 1802 г. впервые заполнили, плотина обрушилась. Образовалась огромная волна; в городе Лорка, расположенном в 20 км вниз по течению, в этой волне утонуло 608 человек.

Фундаментом плотины служила в основном крепкая порода, но во время строительства обнаружили погребенное русло, выполненное аллювием. Вместо того чтобы удалить аллювий и заменить его кирпичной или каменной кладкой, строители просто вогнали в него деревянные сваи, которые поддерживали плотину. После того как водохранилище было заполнено, давление воды в аллювии стало настолько высоким, что каменная кладка была размыта и вода стала вытекать под плотиной. Через 100 лет та же ситуация практически повторилась на плотине Эйджайо в Уэльсе, и только после этой катастрофы наконец-то поняли, какую опасность таят в себе подобные неуплотненные осадки.

Несколько небольших плотин пришлось перенести "в другие места из-за наличия поблизости старых горных выработок. Однако еще более серьезной угрозой является проседание, происходящее в том случае, когда горные выработки располагаются под плотиной. Обычно для укрепления плотины оставляют опорный целик породы, размеры которого определяются глубиной выработки; это делалось всегда, даже в южном Уэльсе, хотя проходка здесь велась под водохранилищами, где просачивания вод через глину не наблюдалось. С несколько иной проблемой пришлось столкнуться на водохранилище Кингс-Милл близ города Мэнсфилд в Ноттингемшире, где вследствие проседания пород над угольными шахтами одна из рек, питающих водохранилище, повернула вспять.

Земляные плотины могут выдержать значительную деформацию; например, две плотины, расположенные на разломе Сан-Андреас в Калифорнии, не были разрушены при подвижках во время землетрясения 1906 г. в Сан-Франциско. Ни одна из плотин не обрушилась, потому что, будучи заполненными глиной, они оказались достаточно пластичными, и хотя были дважды изогнуты и смещены на 35 м вдоль линии сброса под прямым углом к своей оси, не получили даже трещин. Бетонная плотина не выдержала бы такого смещения и в подобной ситуации, конечно, обрушилась. Во время землетрясения 1954 г. в городе Орлеан-виль (Алжир) в плотине Понтеба образовались трещины. Плотина наклонилась, но, к счастью, не рухнула.

Плотины могут быть даже причиной землетрясений, так как порода деформируется под воздействием веса воды в водохранилище и, кроме того, становится гораздо более рыхлой вследствие повышения давления поровых вод. До сих пор еще ни одна плотина при этом не разрушилась, поскольку возникающие сейсмические толчки бывают очень слабыми. Однако в верхней бетонной части плотины Синфэндзян на юге Китая, фундаментом которой является нарушенный гранит, образовалась огромная трещина, когда в мае 1962 г. произошло вызванное воздействием веса воды землетрясение магнитудой 6,1.

Аллювий, землетрясения, водопроницаемость пород, структуры скалывания — все это может стать ловушкой для строителей плотин. Прежде чем строить плотину, необходимо детально изучить геологические условия, которые везде различны. Часто мы можем получить для них лишь качественную или, в лучшем случае, полуколичественную оценку. Несколько классических примеров обрушений плотин показывают, насколько велика опасность недоучета природных факторов при строительстве.

Плотина Сент-франсис в Калифорнии навсегда вошла в анналы инженерной геологии, поскольку уже с того момента, как ее построили, стало совершенно ясно, что рано или поздно она непременно обрушится. Участок, на котором располагалась плотина, по своей геологии абсолютно не годился для подобного сооружения. Но при проектировании, осуществленном Бюро водоснабжения города Лос-Анджелес, геологические данные во внимание не принимались и за советом к геологам проектировщики вообще не обращались. Плотина была построена в суженной части каньона Сан-Францискито, в 70 км к северу от Лос-Анджелеса ив 15 км вверх по течению от того места, где каньон открывается в долину Санта-Клара, ведущую на запад к морю. Назначением водохранилища было накопление вод, поступавших по акведукам с востока, для последующего распределения их по водопроводу города Лос-Анджелес.

Сооружение водохранилища было завершено в 1926 г.; основной его структурой была простая гравитационная плотина длиной 210 м и высотой в средней части 61 м. На западном берегу протягивалось низкое откосное крыло такой же длины, как и основная плотина. Фундаментом служили кристаллические сланцы и конгломераты, и располагалась плотина как раз на нарушенном контакте этих двух типов пород.

Слюдяной сланец с хорошо развитой чешуйчатой сланцеватостью и многочисленными плоскостями сдвига подстилал левое крыло плотины. В воде порода не подвергалась выветриванию и разрушению, но она содержала небольшие включения минерального талька, и на тех плоскостях сдвига, где они концентрировались, сила сцепления была очень низкой. Несмотря на то что сланец был устойчивым к сжатию, он обрушился, как колода карт, под нагрузкой, не перпендикулярной к поверхностям скольжения. Худшее направление для сланцеватости придумать было бы трудно: она падала на запад под углом около 50° и, следовательно, была почти параллельна восточному склону каньона и очень неустойчива. Оползни в кристаллических сланцах происходили и до и после сооружения плотины, несмотря на то что на дне каньона залегала достаточно прочная порода.

На противоположном склоне каньона западный край плотины располагался на красноцветных конгломератах олигоценового возраста с прослоями песчаников и алевролитов. Эти слаболити-фицированные конгломераты с основной массой из глины и гипса, содержащие гальку размером до 20 см, имели сопротивление япОблению в 4 раза меньше, чем чрезвычайно высокое расчетное сопротивление бетона, из которого была построена плотина. Однако и этот показатель был характерен только для сухой породы. Намокнув, глинистый цемент расширился и разрушился, я гипс быстро растворился, и несцементированный конгломерат превратился просто-напросто в илистый песок. Штуф конгломерата, помещенный в лабораторный стакан с водой, полностью разрушался менее чем за 15 мин. К сожалению, этот простой опыт был проделан лишь после того, как плотина перестала существовать. Граница конгломерата и кристаллического сланца проходила под плотиной. Она представляла собой надвиг, падавший в западном направлении почти параллельно как сланцеватости метаморфической породы, так и напластованию конгломерата. Разлом считали неактивным, и, действительно, движения по нему зарегистрированы не были. И даже несмотря на это строительство бетонной плотины на любом разломе в таком сейсмически активном районе, как Калифорния, следует считать безрассудством. В 1971 г. неподалеку от этого района — в Сан-Фернандо — произошло землетрясение, и возникло оно как раз на разломе, который ранее считали неактивным. Более непосредственное отношение к происшедшей катастрофе имели полутораметровый прослой пластичной жильной глинки и зона перемятого и брекчи-рованного материала, приуроченные к разлому.

Заполнение водохранилища Сент-Франсис началось в 1927 г., но впервые вода достигла максимального уровня лишь 5 марта 1928 г. К тому времени просачивание воды через конгломерат под плотиной уже вызывало беспокойство, и инженеры из Управления водоснабжения и энергии города Лос-Анджелес занялись изучением этого вопроса. Они обнаружили, что просачивающаяся вода абсолютно прозрачна, т. е. не размывает породу, поэтому предупреждения об опасности не последовало. Однако вода содержала большое количество сульфата из-за растворения гипсового цемента в породе. Течение усиливалось, и утром 12 марта вода прорвалась через толщу конгломератов. В тот же день за две минуты до полуночи плотина рухнула.

К сожалению, свидетелей этой катастрофы в живых не осталось, и они не могут рассказать нам о ней; должно быть, это было страшное зрелище. Сток почти мгновенно превысил 22 700 м3 в секунду, вода промчалась вниз по каньону, как стена высотой около 40 м. Через 5 мин она снесла электростанцию, находившуюся в 2,5 км вниз по течению. Все живое и все творения рук человеческих в каньоне были уничтожены. Затем волна устремилась в долину Санта-Клара; здесь высота волны несколько уменьшилась, а разрушительная сила ослабла, однако она не потеряла способности убивать. Немногим в верхней части долины удалось остаться в живых, это были только случайно спасшиеся на деревьях или плывущих в потоке обломках.

К тому времени, когда наводнение достигло прибрежной равнины, оно представляло собой грязную волну шириной в 3 км, катившуюся со скоростью быстрого шага. Позади волны долина была затоплена на 80 км. На школьной спортивной площадке в Санта-Паула одновременно плавало 14 бревенчатых домов. Во время этого наводнения погибло более 600 человек.

Водохранилища больше не существовало; оно было полностью осушено, и произошло это менее чем за час. Центральная часть плотины сохранилась, хотя несколько и сместилась. Восточный конец распался на десять или более крупных блоков, которые были разбросаны в разные стороны; большая часть западной стены была разрушена, хотя низкий бортовой выступ остался. По обеим сторонам плотины породы фундамента были размыты на глубину до 10 м.

Обрушение плотины Сент-Франсис могло быть вызвано не только сбросовым движением, но и еще тремя геологическими причинами. Конгломерат мог превратиться в порошок, жильная глинка, выполнявшая разлом, могла быть размыта, а сланцы могли подвергнуться смятию. Но в конструкции плотины, где предусматривались лишь небольшие отсекающие рвы, не было цементации и глубоких креплений, т. е. все эти вероятные опасности не учитывались. После катастрофы геологи и исследовательские группы считали, что обрушение произошло вследствие сочетания всех трех названных факторов; по окончании официального расследования было заявлено, что катастрофа «целиком и полностью объясняется тем, что плотина была построена на неподходящем материале».

Истинную причину катастрофы следовало искать на восточном берегу, однако инженеры, исследовавшие здесь просачивания непосредственно перед обрушением, ничего о ней не подозревали. Обломочный материал, обнаруженный после наводнения выше уровня водохранилища, свидетельствовал о том, что в наполненное водохранилище сползла масса кристаллического сланца. Это, вероятно, сопровождалось значительным латеральным смещением, в результате которого из-под самой плотины было удалено огромное количество сланца. На другой стороне, где залегал уже ослабленный конгломерат, произошла слишком сильная деформация. Поэтому западная часть плотины должна была обрушиться сразу же вслед за восточной; это случилось так быстро, что возникла лишь одна огромная волна.

Таким образом, основной причиной обрушения было смещение легко подвергающегося смятию кристаллического сланца. Истинные масштабы этого смещения определить невозможно, однако оно было достаточно сильным, чтобы деформировать плотину и превысить ее предел прочности еще до того момента, как волна смыла всю оползшую коренную породу.

Было бы преуменьшением просто заявить, что обрушение плотины Сент-Франсис можно было предсказать. Совершенно очевидно, что геология участка не подходила для строительства плотины, и трудно поверить, что при ее сооружении ничего не было известно о свойствах размокающих конгломератов. Но если рабочие или другие лица указывали на опасность, то люди, руководившие строительством плотины, казалось, были слепыми. Геологические условия совершенно не учитывались, несмотря на то что имеющийся разлом был обозначен на опубликованных картах, а все плоскости ослабления в кристаллическом сланце и конгломерате были хорошо обнажены. Обрушение плотины Сент-Франсис стало прекрасным_примером того, как не следует строить плотины.

Подобно плотине Сент-Франсис, плотина Ле-Шёрфа является классической с геологической точки зрения, потому что она обрушилась из-за неустойчивого фундамента. Однако если на геологию в районе плотины Сент-Франсис просто не обращали внимания, то обрушение плотины Ле-Шёрфа было вызвано ошибкой в понимании геологических условий. Зта плотина находилась близ города Оран, недалеко от берега Средиземного моря в западной части Алжира; она была построена в 1885 г., глубина воды в образовавшемся водохранилище составляла 22 м.

На участке сооружения плотины коренной породой был мощный миоценовый известняк с прослоями брекчий, падающий на запад в ядро опрокинутой синклинали. Известняк перекрывал толщу мергелей с маломощными прослоями известняков и песчаников, выходившую на поверхность высоко на западном берегу. Заканчивался разрез четвертичными глинами и конгломератами, мощность которых местами достигала 30 м. Четвертичные отложения в основном были неуплотненными, однако на отдельных участках некоторые конгломераты были сцементированы, как это часто наблюдается в поверхностных обломках известняков, особенно в жарких районах, где скорость испарения очень высока.

Фундаментом западного конца плотины служили мощные миоценовые известняки. Хотя через эти известняки и просачивалась вода, они были структурно прочными. Фундаментом же восточной части плотины из-за ошибки при геологическом определении стал сцементированный четвертичный конгломерат, представлявший собой лишь хрупкую корку на неуплотненном материале. Поэтому, когда 8 февраля 1885 г. водохранилище было заполнено, вода перелилась через край и фактически смыла восточную часть плотины. Вся находившаяся в водохранилище вода мгновенно превратилась в огромную волну, накрывшую город Сен-Дени-дю-Сюг, который располагался в 20 км вниз по течению.

Обрушение произошло из-за того, что неуплотненные четвертичные осадки были совершенно неподходящим фундаментом для плотины. Западная половина плотины, фундаментом которог служил мощный миоценовый известняк, повреждена не была впоследствии она стала частью новой плотины, построенной в 1892 г. Эта плотина стоит и сейчас; чтобы предотвратить просачивание воды через известняк, пришлось сделать глубокий цементный заслон, доходящий до самого мергеля.

Как показало расследование, основная причина катастрофы 1885 г. заключалась в том, что четвертичный сцементированный конгломерат был принят за слой брекчии в миоценовом известняке. Хотя между этими материалами наблюдается значительное сходство (оба они в основном состоят из обломков известняка), но при тщательном анализе их, безусловно, можно было различить: в четвертичных отложениях встречаются гальки из неизвесткового материала. В выветрелом состоянии обе породы очень похожи, однако каждый специалист в области инженерной геологии должен знать об этом и обязан провести детальное и тщательное исследование. Обрушение плотины Ле-Шёрфа наглядно показало, что может произойти, если принять погребенный слой неуплотненного осадка за массивную породу.

С геологической точки зрения обрушение плотины на водохранилище в горах Болдуин в Калифорнии было необычным и труднообъяснимым, поскольку первоначально причина этой катастрофы была совершенно непонятна. Однако с тех пор механизм этого явления был изучен более детально и картина прояснилась. Обрушение можно отнести к необычным в том плане, что все признаки грядущей катастрофы были налицо, и поэтому удалось своевременно эвакуировать население из опасного района. Это было огромной удачей, особенно потому, что водохранилище располагалось на 100 м выше густонаселенных пригородов Лос-Анджелеса. Город раскинулся вокруг гор, и водохранилище было создано для подачи воды в его постоянно растущий юго-западный район.

Водохранилище сооружалось с 1947 по 1951 г. Из узкого неглубокого" ущелья была проведена выемка породы, из которой в устье ущелья соорудили основную плотину высотой 40 м, а также создали серию низких дамб на окружающих возвышенностях и седловинах. В результате получилось почти квадратное водохранилище шириной около 300 м, глубиной 20 м и емкостью Ц40 млн. л. Вынутые глинистые осадки не использовались при строительстве главной стены плотины, а были раскатаны по дну и внутренним склонам водохранилища слоем толщиной до 3 м, причем в верхней части склонов этот слой был вдвое тоньше. На глину было положено асфальтовое покрытие толщиной 8 см, служившее непроницаемой облицовкой; это покрытие пронизывали дренажные каналы, благодаря чему просачивающаяся вода не достигала опасных давлений. Были предусмотрены также крупные дренирующие каналы со шлюзами, по которым в случае аварии воду из водохранилища можно было спустить менее чем за 24 ч.

Коренные породы на месте закладки водохранилища были представлены слабоконсолидированными плиоценовыми и плейстоценовыми осадками. Они состояли в основном из песков и алевритов, а также небольшого количества глин, причем верхние слои осадков обычно были рыхлыми и иногда даже легко крошились в руках. Нижние, плиоценовые слои можно отнести к умеренно консолидированным, некоторые из них были частично сцементированы. Проницаемость и быстрая эродируемость всех этих материалов вызывали беспокойство.

В геологическом отчете, составленном в 1941 г., говорилось, что на этом месте можно создавать водохранилище. Однако в отчете за 1943 г. этот вывод был полностью опровергнут. Когда же в третьем отчете было заявлено, что водохранилище строить можно, но «конструкция его должна быть консервативной», решили, что другого места все равно не найти, и строительство началось.

Геология этого участка осложняется еще и геологическими особенностями. Гора Болдуин представляет собой антиклинальный купол в толще нефтеносных третичных отложений мощностью 3600 м, залегающих на мезозойских кристаллических сланцах. Ось антиклинали проходит к западу от водохранилища; с той же самой стороны, но ближе к водохранилищу разлом Инглвуд смещен на 450 м по латерали, в этж месте наблюдалось несколько толчков. Во время строительства на участке, отведенном под водохранилище, было обнаружено два незначительных разлома; больший из них, расположенный восточнее, известен теперь под названием Резервуар-Фолт («разлом водохранилища»). По этому разлому наблюдался глинистый пропласток мощностью До 10 см с поверхностями скольжения; разлом был достаточно заметным, вследствие чего водосброс перенесли в другое место.

Куполообразная антиклиналь Инглвуд представляет собой крупное промышленное месторождение нефти; еще с 1924 г. сотни скважин были пробурены в залегающих здесь песках третичного возраста. При разведке нефти было обнаружено множество разломов, в том числе крупный глубоко залегающий разлом Инглвуд Болдуин-Хиллс близ Лос-Анджелеса, где в 1963 г. произошло обрушение водохранилища вследствие подвижек грунта, связанных с разработкой нефтяных месторождений в антиклинали Инглвуд; предполагалось, что один из выявленных разломов является продолжением нарушения Резервуар-Фолт. Извлечение нефти из осадков сделало антиклиналь Инглвуд центром активно проседающей впадины. За период с 1917 по 1963 г. центральная часть этой впадины опустилась на глубину до 3 м; за то же время участок, где находилось водохранилище, осел почти на метр. Кроме того, этот участок входил в кольцевую зону, где за 29 лет максимальное латеральное перемещение грунта составило более метра в сторону центра проседающей впадины.

Все время, пока существовало водохранилище, постоянно наблюдались признаки подвижек грунта. В бетоне, покрывающем разведочные штреки, были обнаружены мелкие трещины, а в стенах водохранилища — сетка еще более мелких трещин; исследования показывали, что проседание и горизонтальное смещение продолжаются. Самым интересным результатом повторных съемок был следующий: с 1947 по 1962 г. участок, на котором располагались водохранилище и плотина, увеличился на 12 см вдоль диагонали северо-восток — юго-запад. В мае 1957 г. на площади юго-востоку от водохранилища стали образовываться крупные трещины, а затем они появились уже вблизи водохранилища. Это были открытые трещины до 750 м в длину, не перемещавшиеся по латерали; они круто падали на запад, протягиваясь параллельно небольшим разломам, имевшимся на этом участке.

Однако никаких признаков повреждений водохранилища не наблюдалось. Все было спокойно. Но в 11 ч 15 мин утра 14 декабря 1963 г. сторож, следивший за режимом водохранилища, обнаружил, что дренажные каналы сбрасывают воду под высоким давлением. Это означало, что вода из водохранилища прорвалась через асфальтовую облицовку в слой глины. Была поднята тревога. К 12 ч 20 мин начали спуск воды из водохранилища, а в 13 ч вода стала просачиваться из-под основания восточного конца плотины. Поскольку к этому времени плотина была уже эродирована изнутри, стало совершенно ясно, что водохранилище обречено. Были приняты экстренные меры к спасению населения: объявления по радио, телевидению и с вертолетов, снабженных громкоговорителями, помогли быстро эвакуировать 1600 человек из домов, расположенных под плотиной.

К 14 ч просачивание воды стало настолько сильным, что у края водохранилища возник водоворот, а девятью минутами позже в основании плотины появилось огромное отверстие. В 15 ч 38 мин в это отверстие обрушилась верхняя часть плотины, в которой образовалась огромная трещина высотой 27 м и шириной 22 м. Первоначально скорость течения воды через эту трещину составляла более 120 м3 в секунду, и через час водохранилище было уже пустым. Волна обрушилась вниз по ущелью, и расположенная внизу равнина скрылась под 2,5-метровым слоем воды, однако благодаря своевременной эвакуации жертв было немного: утонуло пять человек. Сорок один дом был разрушен, почти тысяча строений повреждены, улицы покрылись толстым слоем грязи. Общий ущерб составил почти 15 млн. долл.

Как только вся вода из водохранилища вытекла, сразу же стала ясна причина катастрофы: вдоль обнажения Резервуар-Фолт через асфальтовое покрытие протягивалась трещина, уходившая в пролом в плотине. По разлому произошло такое же движение, как и по ранее образовавшимся трещинам в земной поверхности на юго-востоке участка: разлом открылся на 10 см и сместился к западу почти на 20 см. Вода проникла через разрушенный асфальт, залила систему закрытого внутреннего дренажа и продолжала течь вниз в разлом, размывая рыхлые пески и алевриты под слоем накатанной глины. В конце концов вода прорвалась и под плотину и начала быстро подмывать породу под ней. Однако при движении разлома плотина не разрушилась и даже некоторое время сохраняла перемычку над отверстием, из которого вытекала вода.

Причиной движения по разлому явилось, несомненно, развитие деформаций, сопровождавших проседание антиклинали Ин-глвуд, но именно при таком заключении и началась путаница. Проседание произошло не вследствие удаления воды, поскольку такового не наблюдалось, и не вследствие оползней или землетрясений, так как в этот день они зарегистрированы не были. Предполагали, что движение грунта началось вследствие извлечения нефти из месторождения Инглвуд. Однако начиная с 1957 г. на месторождении перешли к вторичному извлечению полезного ископаемого путем нагнетания в породу рассола, вытесняющего нефть. При этом было зарегистрировано заметное ослабление движения грунтов вокруг месторождения. Возник вопрос, почему же в 1963 г. движение внезапно возобновилось. Полагали, что это произошло вследствие какого-то глубинного тектонического процесса, но никаких подвижек на разломе Инглвуд зарегистрировано не было. При местных же тектонических условиях в антиклинальной области скорее могло начаться поднятие, чем опускание, и, следовательно, на участке водохранилища должно было происходить сжатие, а не растяжение.

Нефтяные компании заплатили городу и его страховым обществам без какого-либо судебного разбирательства почти 3,9 млн. долл., что составляло около 25 % от общего материального ущерба. В результате официального расследования было^сделано следующее обобщенное заключение: «Слишком многого хотели от этого водохранилища, расположенного в краевой части чувствительной системы разломов Ньюпорт-Инглвуд с неустойчивой тектоникой, на краю быстро проседающей впадины, на фундаменте, подвергающемся активному воздействию воды».

Лишь позже стало понятно, какую роковую роль в обрушении плотины на водохранилище в горах Болдуин сыграло вторичное извлечение нефти. Этот вид добычи предполагает выкачивание нефти из одних скважин при нагнетании воды или рассола в другие скважины, благодаря чему повышается давление жидкости в породах на глубине. В настоящее время хорошо известно, что подобное увеличение давления поровых вод может привести к снижению сил сцепления по плоскостям сброса; в ряде случаев это послужило причиной слабых землетрясений. В данном случае увеличением порового давления стимулировалось движение вдоль разлома Резервуар-Фолт, который был вполне устойчивым до того момента, пока в породах не возросло давление воды. Это предположение подтвердилось при сопоставлении скорости нагнетания рассола в породы месторождения Инглвуд с образованием трещин в его краевых частях, а также с потерей флюидов в плоскости сброса.

Хотя проектировщики водохранилища учли сопротивление толчкам и проседанию, они, к сожалению, допустили две ошибки. Предполагалось, что разлом Резервуар-Фолт — небольшой и неглубокий, тогда как в действительности он достигал значительной глубины и пересекал крупные поля напряжений в погружающейся антиклинали. Кроме того, не было учтено неизбежное изменение физических свойств пород, которое сопровождает операции по извлечению нефти. Вопрос о том, кто виноват в катастрофе: нефтедобывающие компании или Министерство водных ресурсов — до сих пор остается открытым. Но нельзя отрицать, что в такой ситуации, которая сложилась в горах Болдуин, нефтяное месторождение и водохранилище были абсолютно несовместимыми.

Обрушения плотин Сент-Франсис, Ле-Шёрфа и Болдуин-Хиллс можно было предсказать при правильной оценке местных геологических условий, на плотине же Мальпассе дело обстояло иначе. Обрушение плотины Мальпассе было обусловлено геологической обстановкой, но ни до катастрофы, ни во время ее механизм обрушения известен не был; лишь впоследствии удалось его установить, отчасти благодаря самой катастрофе.

Плотина, построенная в 1953 г., запрудила реку Рейран в 8 км к северо-востоку от города Фрежюс на западном конце Французской Ривьеры. Это было бетонное сооружение с тонкой аркой высотой 65 м, длина искривленной сводовой части составляла 220 м; плотина удерживала воду в водохранилище длиной 6,5 км и емкостью 25 млн. м3.

Геологическое строение этого места казалось почти идеальным. Коренной породой был каменноугольный гнейс и маломощный аллювий, который полностью удалили во время строительства водохранилища. Гнейс включал пегматитовые жилы, в которых не было ослабленных зон, а также имел густую сеть микротрещин, не отличавшихся каким-либо определенным характером. Никакой тревоги эти трещины не вызывали, поскольку было установлено, что породы фундамента способны вместить при нагнетании лишь минимальное количество цемента. Полосчатость гнейса обусловливалась главным образом слюдой, а также^большим количеством кальцита и серицита, особенно в зоне, расположенной на восточном берегу. Поверхности шелковистого серицита часто смещались, что усиливалось при намокании, но угол сланцеватости в месте возведения плотины был настолько круче склона долины, что не возникало никакой опасности оползания насыпной плотины.

Небольшой разлом, существовавший в гнейсе, не был обнаружен при первоначальном исследовании участка; он выявился лишь при размыве породы после обрушения плотины. Даже если бы он и был замечен, особой тревоги это, вероятно, не вызвало бы. Хотя разлом и обнажался выше по течению от плотины, и падал под углом 45°, проходя примерно в 15 м под плотиной, можно было предполагать, что засыпка плотины не должна вызвать здесь каких-либо новых опасных подвижек.

После того как в 1953 г. строительство плотины завершилось, водохранилище стало постепенно заполняться, однако из-за больших расходов воды максимальный уровень в нем был достигнут лишь в конце ноября 1959 г. До тех пор замеченные деформации и движение плотины не выходили за пределы допустимых. Пятнадцатого ноября 1959 г. сторож обнаружил, что из-под западного берега примерно в 20 м вниз по течению от плотины просачивается вода; это продолжалось и во время сильного дождя, начавшегося 27 ноября. В 9 ч вечера 2 декабря плотина обрушилась, но свидетелей этой катастрофы не было. По рассказам сторожа, находившегося в то время в своем доме, расположенном в 1,5 км от водохранилища, катастрофа разразилась молниеносно: привычную тишину вдруг нарушил сильный треск, двери и окна дома были вырваны резким порывом ветра, и началось невероятное.

Плотина обрушилась мгновенно, и образовавшаяся волна была поистине гигантской. Она устремилась вниз по узкой долине реки Рейран, затем разлилась по расположенной внизу равнине, все разрушая на своем пути. В городе Фрежюс погибло более 400 человек, для Франции это было настоящим национальным бедствием. От плотины не осталось камня на камне. На западном берегу сохранился лишь небольшой блок, а на восточном — лишь край плотины, смещенный на 2 м по горизонтали от исходного положения.

При расследовании причин катастрофы выяснилось, что среди обломочного материала, принесенного в долину, бетонные плиты и их обломки, как и при постройке, были по-прежнему сцеплены с гнейсом. Это свидетельствовало о том, что причиной обрушения плотины не могла быть потеря контакта между плотиной и коренной породой. Комиссия не обнаружила никаких ошибок и в конструкции плотины; бетон тоже был хорошим, а в почти водонепроницаемый гнейс нагнетался к тому же цементирующий раствор. Поэтому было решено, что плотина обрушилась вследствие изгибания тонкой бетонной арки, которое было вызвано движением фундамента плотины. Поскольку порода, послужившая причиной обрушения, была вымыта волной, велись споры, как произошло обрушение — в результате деформации или оползания.

Хотя впоследствии было установлено, что ни один из этих процессов не был причиной обрушения, в ходе дискуссий было получено два важных результата. Во-первых, оказалось, что инженеры-проектировщики и геологи говорили на разных языках, а потому не могли понять друг друга. Во-вторых, было сделано официальное заявление о необходимости проводить более детальное исследование всех пород фундамента in situ, особенно в поверхностных слоях, а не полагаться на результаты лабораторных проверок, как это обычно было принято.

Лишь несколько лет спустя группе французских инженеров удалось установить истинную причину катастрофы в Мальпассе. При выполнении серии лабораторных опытов с целью выяснения связи между водопроницаемостью и преобладающим напряжением в серии пород обнаружилось, что водопроницаемость некоторых пород резко снижалась при сжатии, причем наиболее сильный эффект наблюдался в микротрещиноватых породах, таких как гнейс. Растягивающее напряжение вызывало увеличение проницаемости. Оказалось, что из всех изученных пород именно в гнейсе изменение проницаемости наиболее сильно зависит от напряжений. Если рассматривать это открытие применительно к данной плотине, то его значение становится совершенно очевидным, так же как и роль небольшого разлома, находившегося ниже по течению. Под воздействием давления насыпной плотины произошло сжатие гнейса, и его проницаемость уменьшилась примерно до одной сотой от ее обычного значения. Сам разлом содержал непроницаемую жильную глинку, и таким образом под плотиной создался почти непроницаемый для воды барьер.

Для зоны растяжения в гнейсе под краевой частью водохранилища была характерна повышенная водопроницаемость, через эту зону и передавалось поровое давление воды. В результате в почти водонепроницаемом гнейсе под плотиной возникла огромная сила, направленная вверх параллельно ослабленному разлому, которая совместно с воздействием порового давления подняла плотину. Несомненно, причиной обрушения было окончательное заполнение водохранилища, вызвавшее несколько более сильную деформацию плотины и подстилающих пород и приведшее к образованию трещин в дне водохранилища, что способствовало более быстрой передаче давления воды.

Обеспечить безопасность на плотине Мальпассе можно было лишь путем сооружения системы дренажа под плотиной, что препятствовало бы росту давления поровых вод. В настоящее время подобные сооружения предусматриваются во всех плотинах такого рода. Несмотря на то что в ретроспективе механизм обрушения плотины Мальпассе стал совершенно очевидным, несправедливо было бы обвинять в непредусмотрительности инженеров-проектировщиков, которые в то время ничего не знали о принципах такого механизма. В данном случае инженерам можно простить некоторые геологические ошибки, поскольку еще не были изучены все проблемы, возникающие в условиях, когда огромные силы оказывают воздействие на такие природные материалы, как вода и горная порода.

 

Будущее

Почему происходит обрушение плотины? Неужели каждый раз, когда обрушение носит иной характер, чем предшествующие катастрофы, человек неизменно будет понимать это уже слишком поздно?

Трагедии в Мальпассе и горах Болдуин произошли потому, что причины, их вызвавшие, не были своевременно выявлены. Несомненно, предсказать катастрофу гораздо труднее, чем говорить о случившемся post factum. Нелепые ошибки в конструкциях плотин Сент-Франсис и Ле-Шёрфа уже стали достоянием истории. Однако в июне 1976 г. обрушилась плотина на реке Титон в Соединенных Штатах. Что же это было: сказалась еще одна досадная ошибка или проявилась какая-то новая, ранее не известная причина? В результате обрушения плотины на реке Титон погибло 11 человек, 25 000 осталось без крова, а общий ущерб составил около 400 млн. долл. Однако надо отдать должное Управлению мелиорации США, под руководством которого кроме плотины на реке Титон было сконструировано более 300 других плотин: оно стало инициатором досконального расследования причин катастрофы.

Земляная плотина была размыта, когда водохранилище впервые заполнили. Истинная причина катастрофы до сих пор неизвестна, вероятно, обрушение было обусловлено слабостью фундамента. В основании плотины залегал сильно трещиноватый рио-литовый туф, который местами являлся водоносным горизонтом. В нем было пробурено несколько скважин, таким образом в плотине был создан цементный экран и огромная, невиданных ранее масштабов траншея для отвода воды. Дно траншеи покрывалось цементом вручную, в этом-то и заключалась роковая ошибка. Проектировщики полагали, что подобное цементирование сделает поверхность породы водонепроницаемой. Однако строители выполнили цементирование лишь с целью укрепления фундамента плотины: густой цементный раствор был залит во все крупные трещины в риолите, а на трещины около 1 см в поперечнике не обратили внимания.

Затем на этой поверхности была заложена плотина из алеврита и глины; когда водохранилище было заполнено, вода проникла в эти мелкие трещины и достигла основания плотины. Смесь алеврита и глины была размыта; этот материал меньше подходит для строительства плотины, чем самоуплотняющаяся глина, но в других местах он с успехом применялся. В результате 140

вода начала вытекать из-под плотины над цементной перегородкой в породе фундамента, после этого обрушение стало уже неизбежным. Плотина на реке Титон обрушилась потому, что ее конструкция, правильная по своей сути, не учитывала местных геологических условий. Ужасно, что чаще всего именно этот промах приводит к катастрофе. Но послужило ли обрушение плотины на реке Титон должным уроком?

Геологические причины обрушения плотин обычно выявляются быстро, и если плотина выдерживает первое заполнение водохранилища, это означает, что она устоит и в дальнейшем. Однако это нельзя сказать о других сооружениях, где мы имеем дело с водой.

До 1818 г. Рейн в своем верхнем течении между городами Базель и Карлсруэ меандрировал по широкой пойме. В том году начали проводить мероприятия, направленные на регулирование течения этой реки; эти работы продолжаются и сейчас. Длина реки была сокращена, построили плотины, каналы, дамбы, благодаря чему Рейн превратился в транспортную артерию, каковой является и в настоящее время. Печальный результат всех этих работ, выполнявшихся различными организациями без взаимного согласования, заключается в том, что теперь у реки нет поймы и все паводковые волны, возникающие во время весеннего таяния снегов в альпийских водосборах, мгновенно проносятся вниз по течению.

Расположению города Карлсруэ в настоящее время не позавидуешь. В 1955 г. он сильно пострадал во время весенних паводков, но если бы то же самое произошло в Альпах в 1978 г., уровень наводнения из-за проведенных за эти годы на реке работ повысился бы на 35 %. Лучший способ избежать такой катастрофы — это воссоздать ту пойму, которая была у реки в 1818 г. В этих условиях паводковая вода будет растекаться по местности, а не устремляться единым потоком к городу Карлсруэ. Подобная схема уже существует на бумаге. Но будет ли она внедрена в практику? Или придется ждать того момента, когда в городе Карлсруэ произойдет еще одна катастрофа, — на этот раз уже не из-за реки, а по вине человека?