Тонущие города - Геннадий Разумов

В тех случаях когда источник подтопления известен и направление потока точно определено, строят отсечный (защитный) дренаж. Он перехватывает подземные воды и не дает им достигнуть застроенной территории. Таким линейным дренажем отсекают фильтрационное течение из водохранилищ или каналов.

Если же подтопление охватывает защищаемую территорию равномерно, например при утечках воды из городской водопроводной и канализационной сети, то устраивают систематический дренаж. Он представляет собой сеть дренажных сооружений, равномерно расположенных по всей дренируемой площади. В частности, это сеть вертикальных дренажных скважин, размещенных в шахматном порядке во всех районах города. Или это система пересекающихся друг с другом горизонтальных дрен, проложенных по прямоугольной сетке («шахматная доска»).

В случае необходимости защиты от подтопления отдельных зданий, цехов заводов или даже некоторых заглубленных сооружений строят локальный дренаж, понижающий уровень подземных вод лишь на заданных участках. Он выполняется в виде одиночных водопонизительных скважин или их групп либо в виде отдельных горизонтальных дрен.

Такой дренаж может устанавливаться и в виде кольцевых систем вертикальных, скважин или горизонтальных дрен, окружающих защищаемое сооружение, а также пристенного гравийно-песчаного дренажа. Подтопляемые трубопроводные, транспортные и кабельные линейные коммуникации сопровождаются так называемым попутным дренажем, который прокладывается рядом (и ниже) с самими коммуникациями.

Кроме вертикального и горизонтального дренажа, применяют комбинированный, состоящий из горизонтальных дрен со скважинами-усилителями, снимающими напор лежащего ниже напорного водоносного пласта. Зачастую возникает необходимость защиты от подтопления эксплуатируемых заводских цехов или жилых зданий. В таких условиях строить локальный дренаж очень трудно — подземное пространство здесь почти полностью занято трубами, кабелями, колодцами и т.п.

Успешным может оказаться применение, закрытого лучевого дренажа. Строится он так. Рядом со зданием сооружается шахтный колодец, из которого в грунт пробуриваются горизонтальные лучевые скважины. Они располагаются непосредственно под зданием и при откачке воды обеспечивают требуемое понижение уровня подземных вод. При этом необходимо следить за тем, чтобы осушение грунтов шло постепенно, иначе могут произойти неравномерные осадки основания, а само здание может перекоситься.

ОСЕДАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Изучение затонувших древних городов убеждает нас в том, что одна из наиболее вероятных причин затопления — это опускание земной поверхности. Движения земной поверхности, как об этом рассказано в предыдущей главе, геологи относят к компетенции тектоники (современные движения земной коры — предмет неотектоники). Считалось само собой разумеющимся, что движения земной поверхности — это природные процессы, корни которых уходят в глубины земного шара. О техническом вмешательстве человека в эти процессы не помышляли далее фантасты.

Но сравнительно недавно (лет 70 назад) ученые обнаружили, что техническая деятельность человека во многих местах приводит к довольно значительному оседанию земной поверхности. Это не целенаправленный процесс, а вредное последствие достижения других целей.

Оседание поверхности земли, вызванное технической деятельностью человека, происходит по многим причинам. Наиболее значительное оседание, охватывающее большие территории, обусловлено извлечением из земных недр воды, нефти и газа. Собственно, термин «оседание земной поверхности» сейчас относят именно к этому виду оседания.

О масштабах явления можно судить по таким примерам: в Токио оседание территории достигло 4 м, в Мехико — 8 м, в гавани Лонг-Бич (близ Лос-Анджелеса) — 9 м, в долине Сан-Хоаккн (Калифорния, США) — 8,5 м. Это «рекордные» показатели; в меньшей степени оседание зарегистрировано во многих городах и районах в разных странах: Осаке и Ниигате, Венеции и дельте р. По, Таллинне и Белозерском железорудном месторождении, Лондоне и др.

В последние десятилетия оседание земной поверхности стало широко распространенным явлением, его изучением и борьбой с ним заняты многие ученые и инженеры, оно стало международной проблемой, обсуждаемой на научных симпозиумах.

Оседание поверхности причиняет много, мягко говоря, беспокойства. В городах, вследствие неравномерности осадки, деформируются и разрушаются здания, нарушаются коммуникации. Выходят из берегов реки, затопляются прибрежные территории. В Токио, например, около 20% территории города оказалось ниже уровня моря и отгорожено от воды дамбами: уровень рек и каналов, впадающих в Токийский залив, находится сейчас выше поверхности земли. Более 2 млн. человек живут под угрозой затопления; многим районам города угрожает подтопление. В американском штате Техас, на побережье Мексиканского залива, оседание земной поверхности на 1,6–3 м приводит к увеличению площади территорий, затопляемых высокими приливами и штормовыми наводнениями. Наводнение, вызванное ураганом 1976 г., покрыло в районе Хьюстон-Галвестон территорию на 65 км2 больше, чем при урагане в 1961 г. (всего 378 км2).

Первоначально, когда оседание было обнаружено, его пытались объяснить тектоническими процессами, движениями земной коры в целом. Однако довольно скоро выявились факты, опровергающие это объяснение. В Мехико из земли стали «вырастать» — на высоту до 6 м — обсадные трубы скважин и облицовка глубоких колодцев, т.е. поверхность земли опустилась относительно низа этих колодцев и скважин. Стало ясно, что происходит сжатие близкой к поверхности — на глубину десятков, максимум сотен метров — толщи грунта.

Специально организованные измерения показали, что скорость оседания, по геологическим меркам, очень велика, она на порядок и более превышает скорость природных тектонических движений. Последняя, как мы уже знаем, измеряется миллиметрами, редко несколькими сантиметрами в год: район Финского залива поднимается на 3 мм в год, восточный берег Англии погружается со скоростью 9 мм, а бухта нижнего Рейна — на 2,7 мм в год.

Скорость же оседания, о котором идет речь, достигла, например, в Мехико и Ниигате — 50 см, в Токио — 18 см в год. Поскольку к тому же происходило это преимущественно в городах, возникло предположение об искусственных, техногенных причинах оседания земной поверхности. И, наконец, когда сопоставили скорость оседания с режимом откачки подземных вод, предположение обратилось в уверенность, гипотеза стала теорией: причиной оседания является откачка подземных вод, понижение их уровня.

Рис. 63. Сопоставительный график понижения уровней подземных вод и оседания поверхности земли 1 — кривая понижения уровня подземных вод S; 2 — кривая оседания поверхности земли h

На рис.63 показан один из таких сопоставительных графиков, относящийся к крупному японскому городу Осаке (население более 3 млн. человек). Кривая колебания уровня подземных вод иллюстрирует историю города: 1935–1943 гг. — индустриальное развитие, возрастающее потребление воды и прогрессирующее понижение ее уровня; 1943–1947 гг. — военные разрушения и их последствия, в частности сокращение водопотребления и повышение уровня подземных вод; 1948–1963 гг. — резкий подъем промышленного развития и увеличение в связи с этим потребления воды; с 1963 г. — вступление в силу законов, ограничивающих использование подземных вод для промышленных целей. Кривая интенсивности оседания земной поверхности, как видим, закономерно следует за уровнем подземных вод, с его понижением идет оседание, с повышением уровня оседание замедляется и прекращается. Естественно, масштабы этих процессов разные, уровень подземных вод понизился на 30 м, а оседание поверхности произошло максимум на 2,8 м.

Откачка подземных вод проводится во многих районах мира и в больших количествах, главным образом, с целью водоснабжения. Понятно, что крупные очаги откачки привязаны к местам интенсивного потребления подземных вод: городам, промышленным зонам, сельскохозяйственным массивам орошения. Воду откачивают из сотен и тысяч скважин, сгруппированных на относительно небольших площадях. При откачке подземных вод происходит понижение их уровней (напоров), охватывающее в виде депрессионной воронки большие территории. Глубина депрессионных воронок достигает: в Москве и Ленинграде — 50 м, в Киеве — 60 м, в Лондоне — более 100 м, в долине Сан-Хоакин (орошение подземными водами) — до 150 м. Площади депрессионных воронок измеряются сотнями и тысячами квадратных километров, на эти же территории распространяются и мульды оседания поверхности земли: в районе Лондона — 1800 км2, в Токио — 300 км2. В долине Сан-Хоакин, чрезвычайно важной в экономическом отношении для США, с 20-х годов опустилось более чем на 0,3 м (при максимуме в 8,5 м) около 11 тыс. км2 поверхности. Этот регион — наиболее крупная на земном шаре территория интенсивного оседания поверхности земли.