случае, если изменения геологических условий настолько непредсказуемы, что выполнить количественный анализ становится крайне трудно. Жилы каолиновой глины в граните, а также разломы и выветре-лые зоны в любой породе представляют собой основные зоны ослабления структур, обычно крайне плохо поддающиеся расчету. Осадочная слоистость и прослойки сланца, метаморфизм, кливаж и сланцеватость, трещины, образовавшиеся в результате снятия нагрузки или тектонических поднятий, могут иметь четкую структуру. Тем не менее их также необходимо детально исследовать, поскольку они могут сыграть важную роль при выборе конструкции плотины.
Со всеми этими проблемами люди сталкивались при сооружении различных плотин, и если возможность опасных ситуаций была предсказана своевременно, плотину в данном месте не возводили. Если же опасность выявлялась, когда плотина была уже построена, то нередко требовались большие дополнительные расходы на ремонтные работы.
Плотина Бузей близ города Эпиналь на востоке Франции была построена в 1881 г., но фундамент ее был плохим, так как она возводилась на трещиноватом водопроницаемом песчанике. В 1895 г. плотина обрушилась и в паводковой волне утонуло 80 человек. Хотя основной причиной катастрофы было обрушение конструкции, фундамент из рыхлого песчаника, быстро размытый, также сыграл свою пагубную роль.
Плотина Остин в Техасе была возведена в 1894 г., а шесть лет спустя обрушилась. Плотина была заложена на почти горизонтально напластованных известняках, глинах и сланцах, причем все они были трещиноватыми. Высота этой каменной плотины составляла всего 20 м, но она располагалась на дне долины и не имела отсекающего рва. Иногда во время сильных дождей вода просачивалась через известняк под плотиной, частично растворяя породу и значительно насыщая переслаивающиеся пласты глины. Так, во время ливня в апреле 1900 г. вода перехлестнула через плотину, размыла коренную породу; плотина обрушилась, и ее средняя часть целиком сползла вниз примерно на 10 м.
Впоследствии было установлено, что частичное избирательное растворение некоторых пластов известняка способствовало образованию подруслового потока и выветриванию глины. Участок, где располагалась плотина, стал безопасным лишь после того, как эти явления были приостановлены благодаря созданию отсекающего рва и «цементного занавеса» под плотиной (этот «занавес» представляет собой цементную перемычку, сооруженную путем нагнетания раствора через расположенные в линию буровые скважины).
Особенно опасным фундаментом для земляных плотин является водопроницаемая порода, которая может эродироваться изнутри в результате сильного просачивания воды. Самой ужасной катастрофой в Великобритании было обрушение плотины Дейл-Дайк над городом Шеффилд в 1854 г., когда погибло 250 человек. Эта земляная плотина подверглась сильной подпочвенной и поверхностной эрозии; кроме того, сыграла свою роль и водопроницаемость коренной породы — жернового (грубозернистого) песчаника, пропускавшего воду в тело плотины.
Известно, что неуплотненный аллювий настолько ненадежен с точки зрения прочности и проницаемости, что его обычно полностью удаляют, чтобы основание плотины легло на коренную породу. Последствия строительства на аллювии наглядно продемонстрировала плотина Пуэнтес на реке Гвадалентин (юго-восток Испании). Высота этой каменной плотины, построенной в 1791 г., была около 50 м, но когда водохранилище в 1802 г. впервые заполнили, плотина обрушилась. Образовалась огромная волна; в городе Лорка, расположенном в 20 км вниз по течению, в этой волне утонуло 608 человек.
Фундаментом плотины служила в основном крепкая порода, но во время строительства обнаружили погребенное русло, выполненное аллювием. Вместо того чтобы удалить аллювий и заменить его кирпичной или каменной кладкой, строители просто вогнали в него деревянные сваи, которые поддерживали плотину. После того как водохранилище было заполнено, давление воды в аллювии стало настолько высоким, что каменная кладка была размыта и вода стала вытекать под плотиной. Через 100 лет та же ситуация практически повторилась на плотине Эйджайо в Уэльсе, и только после этой катастрофы наконец-то поняли, какую опасность таят в себе подобные неуплотненные осадки.
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
