Тонущие города - Геннадий Разумов

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).

Таким образом, мы убедились, что приводящая к оседанию земной поверхности дополнительная нагрузка возникает вследствие понижения уровня (напора) подземной жидкости или газа и зависит от величины этого понижения. Но само оседание поверхности, сжатие грунтовой толщи зависит не только от действующей нагрузки, но и от способности грунта к сжатию, его сжимаемости, компрессионных свойств. Не случайно оседание в Мехико произошло на 8 м, а в Лондоне — только на 20 см, хотя понижение напора подземных вод в Лондоне больше, чем в Мехико.

Наибольшую сжимаемость имеют торфянистые грунты, богатые остатками растительности, и глинистые грунты (илы, суглинки, глины). При относительно небольших нагрузках они способны к пластическому, необратимому уплотнению. Степень их сжимаемости зависит от природной плотности: чем больше их естественная плотность, тем меньше они сжимаются под дополнительной нагрузкой. В меньшей степени сжимаемы песчаные грунты, еще меньше — скальные горные породы, причем они подвержены главным образом упругому, т.е. обратимому сжатию.

Что предпринимается для борьбы с оседанием земной поверхности и ликвидации его последствий?

В первую очередь необходимы исследования процесса оседания и инженерно-геологических условий, в которых он происходит. Исследования включают, по меньшей мере, три аспекта: изучение режима подземных вод, измерение величин оседания грунтов и определение их физико-механических свойств. Базой исследований является изучение геологического строения района и его гидрогеологических условий. Подобные исследования ведутся во многих странах, в районах, подверженных оседанию земной поверхности.

На основе результатов инженерно-геологических и гидрогеологических исследований можно дать расчетный прогноз оседания земной поверхности, для которого механика грунтов дает достаточно надежное теоретическое обоснование. Достоверность прогнозов зависит главным образом от полноты результатов инженерно-геологических исследований, от соответствия применяемых для расчета схем действительным природным условиям. Например, известно, что оседание является одним из аспектов проблемы защиты Венеции, однако лишь недавно там пройдена первая глубокая исследовательская скважина. Неудивительно, что проведенный по данным этой скважины расчет оседания не совпал с фактически измеренными величинами: геологический разрез по одной скважине не может быть представительным для большого района со сложными условиями. Последующие исследования позволили уточнить результаты расчетов.

Прогноз оседания дает прежде всего ответ на вопрос: требуются ли какие-либо защитные меры? Не исключено, что практический предел сжатия грунтов близок, оседание прекратится само собой и никаких мер по его прекращению не потребуется. Однако во многих случаях прогнозы не дают такого ответа и ставится вопрос о защитных мерах.

Для прекращения оседания поверхности требуется устранить его причину, т.е. прекратить понижение уровня (напора) подземной жидкости или газа. Этого можно достичь разными путями. Во-первых, прекращением или значительным сокращением откачки подземных вод. Это уже сделано в Мехико, Венеции и некоторых японских городах. Водоснабжение, источником которого были подземные воды, переводится на внешние источники (реки, водохранилища, подземные водозаборы в удаленных безопасных местах), от которых к местам потребления прокладываются водопроводные магистрали. Во-вторых, в подходящих геологических условиях, когда вода, нефть или газ извлекаются из напорного пласта, имеющего непроницаемую «крышу», напор в пласте может быть увеличен без прекращения откачки: в пласт через скважины закачивают воду или воздух, выжимая ими полезный продукт. Таким способом ведут добычу нефти, по причинам, часто не связанным с проблемой оседания поверхности, но есть примеры его использования и для борьбы с оседанием.

Прекращение понижения пли даже повышение уровня (напора) подземной жидкости или газа способно прекратить оседание поверхности. Вновь поднять поверхность до прежнего положения при этом нельзя, так как оседание происходит главным образом за счет пластического необратимого сжатия грунта, доля упругого сжатия обычно мала. Тем не менее с восстановлением уровней подземных вод следует обращаться осторожно. Так, в Японии, в районе Кабасаки, быстрое восстановление уровня в результате прекращения откачки привело к частичному подъему поверхности, переувлажнению грунтов, возобновлению источников. Здесь пришли к выводу, что целесообразно продолжать откачку подземных вод в ограниченных размерах, гарантирующих предотвращение и тех и других вредных последствий.

Меры по ликвидации последствий оседания разнообразны и зависят от характера этих последствий. Например, территории, которым вследствие оседания грозит затопление морскими или речными водами, ограждают дамбами либо «поднимают» поверхность подсыпкой или намывом слоя грунта. Здания и сооружения, деформированные в результате осадок, укрепляют дополнительными связями, выправляют их наклоны, перекладывают поврежденные коммуникации и т.д.

Все сказанное относится к тем случаям, когда оседание поверхности уже свершилось и может продолжаться. Иной подход должен быть в случаях нового строительства. Здесь возможность оседания поверхности и его последствий должна рассматриваться заранее, на равных правах с другими аспектами строительства. И если выявляется, что оседание поверхности, например при осушении подземных строительных выработок, может привести к неблагоприятным последствиям, лучшим средством борьбы может быть профилактика.

Средства профилактики диктуются постановкой задачи: не допустить понижения уровня подземных вод. Одним из таких средств является противофильтрационная защита подземных выработок (котлованов, тоннелей и пр.) от притока воды. Вместо откачки воды выработки ограждаются противофильтрационными завесами. В этом случае режим подземных вод не нарушается, снижения их уровня за пределами осушаемой выработки не происходит. Следовательно, окружающей территории и сооружениям на ней не грозит оседание поверхности. Современная техника располагает способами создания противофильтрационных завес практически в любых грунтах — от плывунных песков до скалы.

Когда причины оседания стали ясны, это отразилось не только на технической, но и на юридической стороне этой проблемы. Если раньше ущерб, причиняемый оседанием, не связывали с ответственностью тех, кто откачивал подземные воды, нефть или газ, то в последние десятилетия их стали привлекать к ответственности. Так, в США с конца 50-х годов прошло несколько судебных процессов на эту тему. На процессе «Соединенные Штаты против Анкор Ойл» нефтяная компания была признана ответственной за ущерб, причиненный оседанием морскому порту Лонг-Бич. На процессе «Город Лос-Анджелес против Стандард Ойл» признана ответственность компании за ущерб более 12 млн. долларов, вызванный аварией плотины Болдуин Хиллс. Разрушение этой плотины и наводнение при катастрофическом опорожнении водохранилища привело к гибели людей и ущербу более чем 3700 хозяйств. Причиной катастрофы было оседание земли, вызванное добычей нефти на прилегающей территории.

До сих пор мы рассматривали этот вид оседания как вредный процесс. Но одно из правил изобретательства — обрати вред на пользу — не обошло и это явление. Действительно, если понижение напора или уровня подземных вод приводит к сжатию грунтов, почему бы не использовать его там, где это необходимо, скажем при строительстве на слабых грунтах?

В 1935 г. советский инженер М.Е. Кнорре изобрел способ уплотнения оснований под сооружения, сущность которого — в понижении уровня подземных вод путем их откачки из скважин. (Обратите внимание на дату, тогда еще литературных сведений о «вредном» оседании не было, так что, пожалуй, правильнее говорить не об обращении вреда на пользу, а о широком «вредном» распространении полезного эффекта.) Однако полезное применение этого эффекта ограничивается, по-видимому, единичными случаями, тогда как вредное его воздействие удостоилось международных симпозиумов.