4.6.3. Гидротехническое строительство

В 1935 г. в США было закончено сооружение крупнейшей по тем временам плотины Гувер на р. Колорадо. Началось заполнение водохранилища. Через год, когда уровень воды поднял­ся на 100 м, начались сейсмические толчки. Насколько они были неожиданными, показывает тот факт, что установка сейсмографов здесь не предусматривалась. Количество слабых землетрясений глубиной до 8 км измерялось тысячами в год. К1939 г. водохранилище было заполнено до объема 35 млрд м³. Вслед за этим произошло сильное землетрясение (М = 5,0), выделившее столько энергии, сколько все остальные вместе взятые. Последующие исследования (1938—1949 гг.) устано­вили тесную корреляцию между количеством выделяемой энергии и пиками водной нагрузки. В последние годы у плоти­ны отмечаются только микроземлетрясения. На других водохранилищах американские инженеры стали устанавливать сейсмографы. В результате на 10 из 68 водохранилищ была зарегистрирована возбужденная сейсмичность.

В 1961 г. началось заполнение водохранилища Койна в Индии объемом 2,78 млрд м³ с плотиной высотой 103 м. Слабые толчки начались после достижения половины проектного уровня и в дальнейшем их интенсивность и частота возраста­ли. В спокойной платформенной области, сложенной докембрийскими кристаллическими породами, в декабре 1967 г. про­изошло девятибалльное землетрясение. Значительное число афтершоков имело магнитуду до 5,4. Землетрясение унесло сотни человеческих жизней. Сама плотина была повреждена. Эпицентр землетрясения находился в 4 км от плотины. Землетрясение захватило огромную территорию радиусом до 700 км.

К тому времени были известны такие сильные землетрясения, как у плотины Синьфенкан (Китай; М = 6,1; 1962 г.), Кремаста (Греция; М= 6,2; 1966 г.) и др. Многочисленные, но несильные толчки отмечались в связи с заполнением водохра­нилищ во многих странах. Возбужденная сейсмичность хорошо изучена в окрестностях Нурекского водохранилища глубиной 300 м на р. Вахш в Таджикистане. Количество землетрясений стало увеличиваться сразу после начала заполнения в 1967 г. Максимум частоты был зафиксирован в 1972 г., когда водохранилище было заполнено до глубины 100 м. Сейсмическая деятельность приблизилась к поверхности Земли (95% толчков на глубине до 5 км). Землетрясения группировались под водохранилищем вблизи плотины. На втором этапе заполнения (лето 1976 г.) снова возросло число толчков.

Возбужденная сейсмичность наблюдается не только в пределах подвижных поясов Земли, но и на древних стабильных платформах. Обычно она имеет локальный и поверхностный характер, землетрясения концентрируются вдоль существующих разломов, эпицентры располагаются в 10…15 км от водохранилища. Активность усиливается после подъема уровня ВБ выше 100 м, вероятность толчков тем больше, чем большую площадь занимает водохранилище. По мере заполнения водохранилища сейсмособытия учащаются и усиливаются до некоторого максимального уровня, затем отмечается затухание сейсмоактивности. Периоды усиления и ослабления возбужденной сейсмичности могут продолжаться до 6…8 лет. Необходимо научиться предвидеть, в каких случаях могут произой­ти землетрясения, и какими будут их последствия.

Возбужденные землетрясения возникают на участках земной коры, где накопились естественные тектонические напряжения и земная кора подготовлена к сейсмособытиям. Дополнительная нагрузка, создаваемая человеком, перераспределя­ет напряжения в земной коре и служит своего рода «спусковым крючком». Оживление любого из разломов в зоне инженерных сооружений, находящихся под гидростатической нагрузкой, может стать для них угрожающим. В инженерной геологии для многих капитальных сооружений скорости вертикальных пе­ремещений свыше 1 мм/год признаются опасными.

К началу 70-х годов прошлого века в мире было известно 35 случаев усиления сейсмической активности в связи с наполнением водохранилищ. Это составляет около 12% от общего числа крупных водохранилищ. Возбужденная сейсмичность имеет следующее объяснение, которое в той или иной мере гипотетично:

• нагрузка от веса водохранилища прогибает всю толщу земной коры, нарушает ее изостатическое равновесие и тем самым изменяет напряженно-деформированное состояние (НДС) всей толщи литосферы на большой территории;

• увеличивается давление порово-трещинных вод, в результате чего снижается трение в зонах разломов (сопротивление сдвигу) и облегчается возникновение сейсмических подвижек.

О том, что в возбужденное состояние приходит вся толща земной коры, а не только ее верхний слой, свидетельствует ряд признаков. Наиболее показательные из них такие: поперечник областей погружения в десятки километров; расположение очагов землетрясений на глубине первых километров; возникновение сопровождающих смещений по разломам на расстоянии в десятки километров от зеркала водохранилищ.

Например, для правильной интерпретации современного состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС (СШГЭС) и происходящих в ее створе деформационных процессов необходимо помимо классических фильтрационных, тепловых и деформационных процессов рассматривать процесс, вызванный погружением всей толщи земной коры как упругой оболочки вместе с гидросооружением в вещество подстилающей вязкой мантии (рис. 4.1).

Земная кора в районе водохранилища СШГЭС под действием нагрузки в 30 млрд т медленно погружается в вязкое вещество подстилающей мантии. На периферии этого процесса происходит компенсационное поднятие земной коры. Погружение земной коры продолжается десятки лет, пока не наступит изостатическое равновесие. За годы эксплуатации величина прогиба земной коры в районе створа плотины может достигать 20 см.

Подобные масштабные процессы усиливают сейсмическую активность в районах строительства. СШГЭС не стала исключением. В период интенсивного заполнения водохранилища в зоне сейсмогенерирующей структуры на юго-западе от створа ГЭС было отмечено повышение сейсмической активности.

Рис. 4.1. Проседание и компенсационное поднятие земной коры под действием веса водохранилища Р:

а — общая картина проседания и поднятия участков земной коры: ОО — исходное положение земной поверхности; 10 — положение земной поверх­ности через 10 лет; 30 — положение земной поверхности через 30 лет; 1 — проседание (прогиб) поверхности; 2 — поднятие поверхности;

б—расчетная схема прогиба земной коры как упругой оболочки, плавающей в горячей вязкой магме: 3 — эпюра напряжений в земной коре; 4 — область локального воздействия веса сооружения; 5—упругая оболочка земной коры толщиной h; 6 — архимедова сила

В последние 10 лет в районе водохранилища ежегодно происходило от 39 до 107 землетрясений энергетического класса более 5,0. Можно предположить, что сильное землетрясение в марте 1994 г. (магнитуда 5,2) с эпицентром в районе г. Шагонар являлось техногенным. Таким образом, строительство крупных гидроузлов масштаба Братской, Красноярской и СШГЭС вызывает локально-изостатический отклик литосферы на созданную нагрузку.