Тонущие города - Геннадий Разумов

Крупные и глубокие очаги откачки подземных вод возникают и при открытой или подземной разработке полезных ископаемых, и при строительстве различных сооружений: гидроэлектростанций, метрополитенов. Цель откачки, которая в этих случаях именуется водопонижением, — осушение подземных выработок, защита их, от притока подземных вод. Глубина депрессионных воронок, например, для глубоких шахт может достигать 1000 м и более.

При строительстве глубина водопонизительных депрессионных воронок обычно не очень велика — до 10–30 м, сравнительно ограничено и их распространение. Однако и в этих случаях приходится серьезно считаться с явлением оседания земной поверхности, особенно при строительстве в городах, вблизи зданий и сооружений, не терпящих неравномерных осадок. Например, при строительстве тоннеля в Роттердаме уровень подземных вод был понижен на 15 м; в результате оседание поверхности на линии водопонизительных скважин достигло 50 см, а на расстоянии 100 м от них — до 10 см.

Связь оседания поверхности земли проявляется не только с откачкой подземных вод, но и с добычей нефти и газа.

Оседание в гавани Лонг-Бич, где площадь шириной несколько километров вдоль побережья опустилась до 9 м со скоростью до 40 см/год, обусловлено добычей нефти; оседание территории г. Ниигата со скоростью до 50 см/год — результат добычи газа, как и оседание дельты р. По, где из 900 скважин ежегодно добывали 190 млн. м3 метана.

Со значительной скоростью — до 11 см/год — опускается итальянский г. Равенна, воспетый в стихах Данте. Если скорость оседания не замедлить, через непродолжительное время воды Адриатики затопят город. Уже сейчас вода проникает в подвалы зданий; в церкви Сан-Франческо мозаичный пол лежит под метровым слоем воды. Скорость оседания поверхности возросла здесь в 30 раз после того, как рядом со старым городом возник новый промышленный центр. Предприятия забирают из скважин ежесекундно 500 л воды. Одновременно идет значительная добыча метана: с пляжа Равенны видна цепь вышек над скважинами, из которых газ по трубам подается промышленным предприятиям.

В чем же сущность явления оседания земной поверхности?

В газетах иногда пишут, что оседание земли связано с образованием подземных пустот. Это неверно. Причиной оседания поверхности земли является сжатие толщи грунта. Оно происходит вследствие уменьшения взвешивающей силы при понижении уровня (напора) воды, нефти или газа.

Для пояснения этого явления рассмотрим упрощенную модель (рис. 64). Интересующие нас свойства грунтовой толщи — ее вес и сжимаемость — изобразим в виде груза, лежащего на пружине. Поместим эту систему в сосуд с водой и вспомним закон Архимеда. На затопленный груз действует выталкивающая сила, а на пружину давит вес груза за вычетом выталкивающей силы. Теперь отольем часть воды, понизим ее уровень на глубину hВ. Груз затоплен не полностью, выталкивающая сила уменьшилась, а следовательно, сила, действующая на пружину, увеличилась. Под воздействием этой добавочной нагрузки (она равна разности выталкивающих сил до и после понижения уровня воды) пружина сжимается и груз опускается на глубину hД. Это и есть оседание поверхности.

Рис. 64. Модель оседания поверхности земли при понижения уровня подземных вод 1 — груз; 2 — пружина

Реальность, конечно, сложнее и многообразнее этой простой схемы. Процесс оседания поверхности зависит от очень многих факторов, в первую очередь — от геологического строения территории и ее гидрогеологических условий.

Ближе всего к рассмотренной модели случай, когда понижение уровня подземных вод происходит в сравнительно однородной толще грунта, заключающей в себе единый водоносный горизонт (рис.65, а). В этих условиях откачка воды приводит к образованию депрессионной воронки, внутри которой происходит осушение грунта. Вода отфильтровывается из пор и каждая грунтовая частица освобождается от взвешивающего давления воды. «Тяжелеет» весь осушенный грунт в пределах депрессионной воронки и под этой нагрузкой происходит его сжатие.

На первый взгляд, парадокс: мы выкачиваем из грунта воду, т.е. убираем вес воды, казалось бы, нагрузка должна уменьшиться, а не увеличиться. Противоречия здесь нет, весь вопрос в том, к чему приложены нагрузки. Давление воды передается только на лежащую ниже воду, это давление нейтрально по отношению к грунту (оно и называется в механике грунтов нейтральным давлением). Частицы грунта испытывают всестороннее давление окружающей их воды, но вес их от этого не увеличивается, наоборот, он уменьшается в результате воздействия выталкивающей силы. Вес же грунтовых частиц, контактирующих друг с другом, передается на лежащие ниже грунтовые частицы, это давление называется эффективным. Оно и создает нагрузку, способную уплотнять грунт.

величина добавочной нагрузки, возникающей при осушении грунта, составляет примерно 8 Н/см2 на каждые 10 м понижения уровня воды. Добавочная нагрузка передается и на лежащий ниже водонасыщенный грунт, происходит его уплотнение. В результате оседает земная поверхность.

Такие случаи характерны главным образом для осушения месторождений полезных ископаемых и строительного водопонижения на небольшую глубину (до десятков метров): однородные водоносные толщи грунта редко распространяются на большие глубины.

Рис. 65. Оседание поверхности земли при понижении уровней (напоров) подземных вод а — при осушении однородной толщи грунта; б — при понижении напора в изолированном пласте; в — при понижении напора в слоистой толще грунта (слева — до откачки воды, справа — при откачке); 1 — уровень подземных вод до откачки воды; 2 — депрессионная воронка; 3 — слабопроницаемый слой грунта; 4 — напорный водоносный слой; 5 — перетекание воды

Чаще встречается слоистое строение грунтовых толщ, при котором геологический разрез представлен чередованием водопроницаемых (например, песчаных) и водоупорных (например, глинистых) слоев (рис.65, б). В подобном случае откачка воды, нефти или газа из промежуточного проницаемого слоя приводит к уменьшению напора (давления) на непроницаемую кровлю этого слоя, что также ведет к перераспределению давлений грунта и увеличению нагрузки. Возвратимся к модели. Для этого случая ее надо выполнить таким образом, чтобы груз плотно — в виде поршня — перемещался в сосуде. В этом случае дополнительная нагрузка на пружину при снижении уровня воды возникнет не по закону Архимеда, а в результате уменьшения давления на нижний торец поршня. При уменьшении взвешивающего противодавления на 0,1 МПа (при понижении напора воды на 10 м) дополнительная нагрузка составит 10 Н/см2.

По этой схеме, как видим, осушения грунта не происходит, изменяются только величины напоров и давлений. Сжатию подвергается не вся толща грунта, а только ее часть, расположенная ниже непроницаемой кровли пласта, из которого производится откачка. Такие условия характерны для, глубоких горизонтов, изолированных от лежащих выше толщ плотными непроницаемыми породами.

Однако много случаев оседания земной поверхности — в Мехико, Токио, Венеции и др. — происходит по еще более сложной схеме. Территории этих городов и их окрестностей на глубину сотен метров сложены прихотливо чередующимися песчаными, глинистыми, илистыми и подобными им грунтами. Эти отложения молоды (в геологическом понимании) и слабо уплотнены. В них нет совершенно непроницаемых слоев, глинистые и — илистые отложения хоть слабо, но водопроницаемы. При откачке подземных вод в таких случаях происходит перетекание воды (фильтрация) из одних водоносных слоев в другие сквозь разделяющие их слабопроницаемые слои (рис. 65, в).

Фильтрующая вода оказывает на частицы грунта силовое воздей-ствие подобно тому, как она оказывает сопротивление плывущему кораблю (здесь действует принцип обратимости: для силового воздействия безразлично, что движется — корабль относительно воды или вода относительно корабля — грунтовых частиц). Эта сила, гидродинамическое давление, распределена по всей толще грунта, в которой происходит фильтрация. Чем больше сопротивляется фильтрации грунт, т.е. чем менее он водопроницаем, тем большее гидродинамическое давление оказывает на грунт фильтрующая вода. Следовательно, воздействию гидродинамического давления в наибольшей степени подвержены слабопроницаемые глинистые и илистые слои, а именно они более всего сжимаемы.

В естественных условиях, когда не производится откачка подземных вод, в нижних слоях грунта вода, как правило, имеет более высокие напоры, чем в верхних. Поэтому фильтрация направлена снизу вверх, от больших напоров к меньшим. Гидродинамическое давление при этом взвешивает грунт, мешая ему уплотняться под собственным весом. При откачке подземных вод их напоры снижаются, а гидродинамическое давление уменьшается или даже приобретает противоположное направление — сверху вниз. Грунт как бы тяжелеет. Естественно, что следствием является его уплотнение и оседание поверхности. При этом может происходить осушение верхних слоев грунта, если поступление воды из внешних источников ограниченно (как в Мехико), или грунт может оставаться водонасыщенным (как в Венецианской лагуне).