Безопасность плотин и землетрясения

При землетрясении Сан-Фернандо в 1971 г. едва не произош­ла большая трагедия в южной Калифорнии севернее Лос-Андже­леса. Нижняя плотина гидротехнического комплекса Ван-Нор­ман, расположенная менее чем в 10 км от вскрывшегося разлома, была построена за 30 лет до этого момента с использованием обычного тогда метода намыва земляной дамбы. После напол­нения водохранилища на плотину стала действовать дополни­тельная гидравлическая нагрузка. Во время землетрясения 1971 г. произошел крупный оползень намытого грунта с плотины в сто­рону водохранилища; над водой осталось только около метра высоты нижней стороны плотины, что и не позволило воде прорваться на густо населенные пригороды Лос-Анджелеса. К счастью, в этот момент водохранилище было наполнено не до максимального уровня, а крошечный земляной порог плотины не разрушился и сдерживал воду до тех пор, пока ее не удалось спу­стить. Тем временем из опасного района (ниже плотины) было эвакуировано 80 тысяч человек.

Этот случай наглядно продемонстрировал важность оценки сейсмического риска на участках будущего гидротехнического строительства. Земляная или бетонная плотина-это не просто дорогостоящее сооружение: она непосредственно влияет на эко­номику района, обеспечивая производство энергии, контроль па­водков и ирригацию. Обрушение крупной плотины приводит к внезапному затоплению поймы, и ввиду роста населения это означает все более тяжелое бедствие для огромной массы людей. Такая опасность вполне реальна: действительно, во многих стра­нах крупные плотины построены в областях, где в прошлом от­мечались сильные землетрясения. При проектировании и после возведения этих плотин необходимо заботиться о безопасности населения, проживающего в районах ниже по течению, и не за­бывать о вероятности будущих разрушительных землетрясений. Несомненно, что геологические условия в районе строительства, в том числе условия образования оползней и разрывов, должны изучаться самым тщательным образом.

Помимо тех землетрясений, которые возникают в результате естественных причин, следует также учитывать любопытную связь между заполнением водохранилищ и землетрясениями. В различных странах отмечено уже по меньшей мере 13 случаев, когда под крупным водохранилищем или поблизости от него вскоре после заполнения возникали рои землетрясений.

Идея о том, что землетрясения могут провоцироваться тя­жестью поверхностных вод, не нова. Еще в 70-х годах прошлого века командование инженерных войск США отвергло предложе­ние о создании крупного водохранилища на месте озера Солтон-Си в южной Калифорнии, указав, что это может вызвать земле­трясения. Первое конкретное свидетельство такого эффекта было получено в 1935 г. при наполнении водохранилища Мид позади плотины Гувер (высота 221 м), на границе штатов Невада и Ари­зона. Хотя некоторая местная сейсмичность, по-видимому, про­являлась там и до 1935 г., факт состоит в том, что после 1936 г. землетрясения в этом районе стали гораздо более частыми. Рас­положенные поблизости сейсмографы, введённые в действие в 1940 г., показали, что после самого сильного в районе земле­трясения 1940 г. (с магнитудой около 5) сейсмичность стала убы­вать. Гипоцентры сотен отмеченных землетрясений группирова­лись вдоль крутых разломов на восточной стороне озера и располагались на глубинах менее 8 км.

В последующие годы такие же явления отмечались в районах крупных плотин в нескольких десятках случаев, но только немно­гие из них хорошо документированы. Большинство этих плотин имеет высоту более 100 м, и, хотя геологическая обстановка во­круг них различна, наиболее убедительные примеры землетрясе­ний, вызванных заполнением водохранилища, относятся к текто­нически активным районам с уже отмечавшимися раньше, по крайней мере слабыми, землетрясениями. По всему миру возве­дены теперь тысячи крупных плотин, и в большинстве случаев не отмечено никакой связи между заполнением водохранилищ и зе­млетрясениями; в США из 500 детально обследованных крупных плотин только для 4%, согласно данным на 1976 г., имелись све­дения о землетрясениях с магнитудой более 3,0 на расстояниях до 16 км от плотины.

Особый интерес представляют следующие четыре хорошо изученных примера землетрясений, вызванных заполнением ис­кусственных водоемов. Первый пример-водохранилище Кариба в Замбии, запертое 128-метровой плотиной. Наполнение его на­чалось в 1958 г. Хотя перед постройкой плотины были известны некоторые данные о слабых землетрясениях в ее районе, к 1963 г., когда водохранилище было заполнено до проектного уровня, расположенные поблизости сейсмографы отметили уже более 2000 местных толчков, главным образом прямо под водо­хранилищем. Самый крупный толчок с магнитудой 5,8 произошел в сентябре 1963 г., после чего активность стала убывать.

Следующий пример-землетрясение Койна (Индия) с магни­тудой 6,5, центр которого располагался недалеко от плотины (высотой 103 м). Землетрясение, вызвавшее значительные разру­шения, произошло 11 декабря 1967 г. После того как в 1962 г. стала возрастать нагрузка воды, начали поступать сведения о местных сотрясениях, происходивших главным образом в области, которая раньше считалась асейсмичной. Сейсмографы показали, что очаги землетрясений группируются на небольшой глубине под водохранилищем. В 1967 г. возник ряд крупных зе­млетрясений, который завершился 11 декабря главным толчком с магнитудой 6,5. Этот толчок вызвал существенное повреждение расположенных поблизости зданий; погибло 177 человек, ранено было больше 1500. Сейсмограф для записи сильных движений, установленный в галерее плотины, показал максимальное ускоре­ние 0,63#. Серия землетрясений, записанных в Койне, совпадала по ритму с выпадением дождей (рис. 2). Сравнение частоты зе­млетрясений и колебаний уровня воды позволяет по меньшей мере предполагать, что сейсмичность возрастала спустя несколь­ко месяцев после каждого сезона дождей, когда уровень заполне­ния водохранилища был наибольшим. В других известных те­перь примерах такая корреляция не столь очевидна.

Еще одна серия землетрясений, которые определенно были вызваны заполнением водохранилища, была отмечена в Китае к северу от Гуанчжоу. Строительство плотины по реке Синьфын высотой 105 м было закончено в 1959 г., после чего стало отме­чаться возрастающее число, местных землетрясений, причем в 1972 г. их произошло более 250 тысяч. Конечно, в основном это были очень слабые толчки, но 19 марта 1962 г. произошло сильное землетрясение с магнитудой 6,1. Выделившейся энергии оказалось достаточно, чтобы повредить бетонную плотину. Для ее укрепления потребовалось частично спустить воду. Большин­ство землетрясений возникло на глубине менее 10 км; очаги бы-

Безопасность плотин и землетрясения

ли приурочены к тому участку, где глубина водохранилища была наибольшей, а некоторые гипоцентры совпали с пересечениями главных разломов этого района.

Для последнего из приводимых нами здесь примеров данные не полны. Речь идет о массивной Нурекской плотине (высотой 317 м), возведенной в Таджикистане,-самой высокой насыпной плотине мира. Уже в 1972 г., когда строительство еще не было закончено, но наполнение водохранилища началось, появились сообщения о возрастании местной сейсмичности. В момент напи­сания этой книги планировалось, что полная величина нагрузки водохранилища на земную кору будет достигнута к 1978 г.; в ближайшие годы будет очень интересно проследить, возникнет ли где-нибудь поблизости землетрясение и как оно повлияет на это крупное инженерное сооружение.

Каким образом вода, наполняющая большой резервуар, спо­собствует возникновению землетрясений? Едва ли можно счи­тать, что это полностью обусловлено добавочным весом воды, действующим на подстилающие породы: на глубине нескольких километров под водохранилищем такое добавочное давление составляет всего лишь малую долю от уже существующих есте­ственных тектонических напряжений. (Расчеты показывают, что на глубине в несколько километров добавка скалывающего на­пряжения составляет какие-то доли бара.) Более правдоподобное объяснение-тот самый спусковой механизм, который привел к землетрясениям в Денвере и Рейнджли и уже рассматривался в данной главе. В общих чертах этот механизм выглядит следую­щим образом. Дополнительное давление воды, возникающее при наполнении водохранилища, передается в земную кору в виде волны или импульса такого давления. Вследствие небольшой скорости распространения этой волны ей требуется несколько месяцев или лет, чтобы преодолеть расстояние порядка 5 км,-в зависимости от проницаемости и степени раздробленности по­род. Но когда импульс давления достигает зоны развития ми­кротрещин, он способствует притоку в них воды и, таким обра­зом, ослаблению тех сил, которые препятствуют развитию проскальзывания и упругой отдачи по разломам под действием уже существующей в породе тектонической упругой деформа­ции.

Если на площади, где существует вероятность возникновения землетрясений, предполагается строить плотину, необходимо принять определенные предварительные меры. Прежде всего не­зависимо от того, идет ли речь о естественных или о возбу­жденных землетрясениях, надо уже на стадии проектирования оценить интенсивность колебаний грунта, которую сооружение должно выдержать в течение срока службы. Полезно также до начала строительства выполнить геодезическую съемку района, чтобы можно было обнаружить любые новые деформации зем­ной коры, связанные с заполнением водохранилища.

Кроме того, для изучения воздействия сейсмических толчков на ранней стадии строительства надо установить сейсмографы и другое оборудование (см. приложение Е). Важно также устано­вить мареографы, по которым можно будет измерять в водохра­нилище крупные волны (сейши). В случае отсутствия записываю­щих приборов, предназначенных для измерения интенсивности сейсмических колебаний и реакции плотины, сильное землетрясе­ние с близким очагом поставит вопросы, на которые не удастся ответить. Если, например, возникнут повреждения конструкции плотины, а необходимые измерения выполнены не будут, то ока­жется невозможным сравнить поведение плотины с проектными условиями сейсмостойкости. Следовательно, нельзя будет судить о том, как данное сооружение будет реагировать на более сильные толчки; невозможно будет и принять надлежащее реше­ние о ремонте и укреплении плотины.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий
SQL - 48 | 0,201 сек. | 12.61 МБ