Тони Уолтхэм - Катастрофы: неистовая Земля
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».
