Защита от землетрясений

Защита от землетрясений  

Прогноз землетрясений  недостаточно совершенен. Он позволяет  лишь предположить, где следует ожидать  крупное землетрясение, и с некоторой  вероятностью определить срок, когда  оно произойдет. В связи с этим крайне необходимы меры защиты от причиняемого землетрясениями ущерба, которые  по существу сводятся к двум рекомендациям.

Во-первых, следует  избегать явно опасных районов. Поскольку  полная эвакуация из таких мест, как, например, города на Калифорнийском побережье, невозможна, требуется районировать их в достаточно крупном масштабе, чтобы свести риск к минимуму.

Во-вторых, необходимо обеспечить наивысшую надежность зданий в сейсмоопасных районах. Совершенно антисейсмических зданий не существует. Но достаточно стойкое к воздействию землетрясений здание спроектировать и построить вполне возможно.

Антисейсмические  свойства зданий можно выявить, основываясь  на опыте прошлых землетрясений. Едва ли не самыми неудачными постройками  для сейсмического района являются глинобитные и деревянные дома с  тяжелыми каменными крышами, столь  широко распространенные в Азии и  Южной Америке. Следует избегать значительных декоративных нагрузок в  верхней части зданий, в том  числе парапетов на верхних этажах. Во время недавнего землетрясения  в Калифорнии было установлено, что  двойные гаражи на первом этаже также  значительно уменьшают прочность  дома. Современные железобетонные здания обычно хорошо переносят землетрясения, но еще нет соответствующих инженерных расчетов для тех случаев, когда  горизонтальное ускорение может  оказаться соизмеримым с ускорением свободного падения, как это наблюдалось  во время землетрясения в Калифорнии в 1971 г.

Возводя смелые современные  сооружения из бетона в сейсмических районах, архитекторы, по-видимому, должны привносить в них долю здорового  консерватизма и не забывать о  материале, низкое качество которого может  сыграть роковую роль при землетрясении. Во время землетрясения 1930 г. в Италии причиной разрушений явилось главным  образом использование при строительстве  тяжелой окатанной гальки, а при  землетрясении в Скопье в 1963 г. множество  обрушений было вызвано плохим скреплением  бетона с непромытым заполнителем. Тот факт, что здания в Скопье "расплющились", свидетельствует  также о слабых железобетонных перекрытиях, лежавших на неукрепленных кирпичных  стенах. Плохой фундамент - залог возможных  разрушений, будь то недостаточно плотно уложенная кладка или рыхлый грунт  под зданиями, как в Ниигате в 1964 г.

Если же здание сооружено  из доброкачественного железобетона, имеет стальной каркас, глубокий фундамент, легкую крышу и короткие дымовые  трубы, оно всегда проявит антисейсмические свойства. Множеством примеров подтверждено, что если не принимать во внимание возможность возникновения пожаров, самыми безопасными при землетрясении  являются деревянные постройки - бревенчатые  избы и дома с деревянным каркасом. Японцы пришли к выводу, что рифленая сталь или рулонный пропитанный  битумом картон представляют собой  гораздо лучший кровельный материал, чем обычная черепица.

Отель "Империал", построенный в Токио как раз  перед землетрясением 1923 г., был для  того времени зданием, классическим по своей сейсмостойкой конструкции: здание имело глубокий фундамент, конусообразно сужалось вверх и завершалось крышей из легкой меди; в центре отеля был сооружен декоративный пруд, который спас его от пожара, возникшего после землетрясения.

Особенно много  хлопот при землетрясениях приносят старые здания. Новые дома, как правило, сооружаются в соответствии с  определенными стандартами, хотя это  и повышает их стоимость. Снос старых построек и замена их новыми для  обеспечения безопасности представляется слишком дорогостоящим делом  и требует предварительной оценки размеров ущерба, который может нанести  сильное землетрясение густонаселенному городу. Даже при высококвалифицированном  проектировании трудно исключить возможность  появления резонанса в высотных зданиях, и медленные сейсмические волны могут случайно совпасть по периоду с собственными колебаниями  постройки.

В скоростной железнодорожный  путь на Хоккайдо (Япония) вмонтированы сейсмографы, и поезд автоматически  остановится, если сотрясения грунта превысят определенный уровень. Даже нечетко  сформулированные прогнозы землетрясений  можно использовать, например, для  принятия решения о понижении  уровня воды в водохранилищах и увеличить  тем самым сейсмоустойчивость участка.

К сожалению, многие пренебрегают подобными прогнозами. Возможно, в управляемом обществе дело обстоит иначе. Но в Калифорнии, например, как показали недавние исследования, предупреждение о землетрясении  приведет лишь к тому, что половина из тех немногих, кто обратит на него внимание, вообще ничего не предпримет, а большинство просто начнет молиться.

С учетом всего сказанного лучшей защитой от землетрясений  надо считать районирование территории и выявление различных по степени  сейсмоопасности зон. При этом первостепенное значение имеет изучение геологической специфики данной местности. Хотя при большинстве землетрясений наибольшие разрушения вызываются колебанием грунта, а не общим его смещением, важнейшим делом является обнаружение активных разломов, представляющих зоны очевидной опасности. Таким образом, первоочередная задача при районировании сейсмозон заключается в том, чтобы проследить все имеющиеся разломы. Эта задача осложняется тем, что разломы обычно образуют достаточно широкие, с ответвлениями полосы; кроме того, со временем могут возникнуть новые разломы, а старые, "устойчивые" нарушения могут сместиться.

Землетрясение 1971 г. в Сан-Фернандо возникло на разломе, который считали неактивным. Следовательно, при геологическом картировании необходимо регистрировать все разломы, независимо от их активности, а затем - при заселении территории - держаться от них подальше. В настоящее время в Калифорнии запрещается строить новые здания ближе 35 м от известных разломов, за исключением небольших домов на одну семью, которые могут быть построены на расстоянии 15 м от разлома. Если же положение разлома точно не определено, стараются вынести границы здания как можно дальше за предполагаемую зону разлома. Если все-таки необходимо осуществить строительство в зоне активного разлома, прибегают к различным конструктивным ухищрениям. Так, в акведуках, подающих воду в Лос-Анджелес, которые пересекают разлом Сан-Андреас, имеются подвижные соединения. Было отрадно узнать, что недавно отказались от планов возведения атомной электростанции на этом разломе (в районе Бодега-Хед), хотя для этого и потребовался значительный нажим со стороны специалистов по охране окружающей среды.

Несомненно, что наиболее важным критерием районирования  сейсмозон для прогноза землетрясений  и предупреждения их последствий  является учет строительных свойств грунтов. Лучшими в этом отношении являются коренные породы, а худшими - неуплотненные, насыщенные водой молодые осадочные отложения. Чем прочнее порода, тем меньше потенциальный ущерб от землетрясения. Эта связь, хотя она с трудом поддается количественному анализу, служит наилучшим ориентиром для выделения зон относительной безопасности. В неуплотненных толщах наиболее подвержены разжижению алевриты и пески с зернами одинакового размера, особенно если эти рыхлые породы насыщены водой и залегают неглубоко. Установлено, что наибольшее усиление сейсмических волн наблюдается на тех участках, где рыхлые осадки залегают непосредственно на твердых коренных породах. Следовательно, при планировании расширения таких городов, как Токио и Сан-Франциско, следует учитывать распределение по площади различных типов отложений.

В качестве критериев  районирования могут выступать  также оценка возможности наводнений под воздействием цунами и учет опасности  возникновения и масштабов оползней, связанных с движениями земной коры.

Как уже отмечалось, разлом Сан-Андреас в Калифорнии можно подразделить на активные и  достаточно спокойные участки. Сан-Франциско  и Лос-Анджелес расположены в потенциально опасных зонах. Но сегодня не может идти речь о перенесении зданий, а тем более городов, в другое место. Имеющиеся сведения можно использовать лишь при планировании новых застроек. Город Валдиз, разрушенный во время землетрясения на Аляске в 1964 г., был заново построен на коренных породах, тогда как раньше он располагался на рыхлых дельтовых отложениях. А вот в Манагуа (Никарагуа) избежать застройки "слабых грунтов", способствовавших разрушению города во время землетрясения 1972 г., оказалось практически невозможно. Город был восстановлен на прежнем месте. Единственная уступка природе заключалась в том, что участки, протягивающиеся вдоль пяти разломов, активизировавшихся в 1972 г., не застраивались.

Недавно французские  ученые обнаружили, что живая природа  может куда более эффективно, нежели род людской, противостоять разрушительной силе землетрясений. У нее есть надежная защита от этого стихийного бедствия — мангровые леса. Эти сообщества, отмирая, формируют интересные подземные  подушки, способные гасить самые  мощные колебания земной тверди.Напомню, что мангровыми зарослями или лесами называют природные сообщества, развивающиеся на периодически затопляемых участках морских побережий и устьев рек, защищенных от прибоя и штормов коралловыми рифами или прибрежными островами. В этих сообществах может доминировать древесная растительность (и тогда их называют лесами) или кустарники (тогда говорят о мангровых болотах). "Пионерами" данной экосистемы являются растения, поселяющиеся в местах, защищённых от энергии волн, где скапливаются мелкодисперсные осадочные отложения, часто с высоким содержанием органики. Именно это растениям и надо — ведь морская органика, как известно — отличное удобрение.Все мангровые заросли сосредоточены в приливно-отливной зоне, поэтому два раза в сутки их затопляет морская вода (которая иногда доходит почти до верхушек деревьев). Однако во время отлива она уходит, обнажая причудливые корни деревьев и кустарников. Эти корни являются своеобразными ходулями, которые помогают растению закрепиться в илистых осадках и не упасть под ударами волн. А некоторые из них обладают отрицательным геотропизмом (то есть растут не вниз, а вверх), и их растения используют для дыхания — точь-в-точь, как водолазы трубочки.Среди этих причудливых и разнообразных корней кишмя кишат разнообразные животные. И кого тут только не встретишь: и крабы, и моллюски, и рыбы, больше ходящие по дну на своих плавниках, нежели плавающие, и даже крокодилы. Кроны деревьев также поражают обилием и разнообразием населения — птицы, ящерицы, змеи, обезьяны и многие другие древесные животные. Недаром манговые заросли считаются одним из самых разнообразных биоценозов на нашей планете (уступая лишь коралловым рифам и влажным тропическим лесам в количестве видов).А вот флористический состав мангровых лесов относительно однообразен. Наиболее частот встречаются растения, принадлежащие к родам Rhizophora, Bruguiera, Avicennia, Sonneratia. Причем часто все деревья зарослей принадлежат к одному-двум видам. Иногда верхний ярус мангровых лесов бывает образован пальмами, например, Nypa fruticans в восточных тропиках, Manicaria succifera в северо-восточной части Южной Америки, или отдельных видов рода Pandanus - на западном побережье Африки, в Азии и Океании. И только в Индонезии имеются многовидовые мангровые сообщества.Все растения, произрастающие в этой удивительной экосистеме, отличаются удивительной способностью существовать и развиваться в солёной среде на почвах, лишённых доступа кислорода. Кроме того, поскольку почва под ними бедна питательными веществами, они приспособились, изменив свои корни, получать многие газообразные вещества (вроде соединений азота) непосредственно из атмосферы, а некоторые необходимые им соли металлов — прямо из морской воды.Интересным способом мангровые растения обеспечивают продолжение своего рода — их семена способны прорастать, ещё не отделившись от дерева. После прорастания маленький саженец какое-то время растёт либо внутри плода, либо через плод наружу. Когда, в конце концов, эта настоящая "биооранжерея" попадает в воду, то такое крохотное деревце может долго плавать по волнам, причем в этой ситуации проросток как бы впадает в спячку и выходит из нее только тогда, когда его прибивает в благоприятное для укоренения место.Распространены мангры преимущественно во влажных тропиках — на побережьях Восточной Африки, Южной Азии, Австралии и Океании. Впрочем, иногда они встречаются и в субтропической зоне: в Красном море (залив Акаба) и на юге Японии, а также и в умеренной (юг Новой Зеландии).Кстати, растущие там мангры могут даже переносить недолгие заморозки. Однако в большинстве случаев для них необходим безморозный климат.Ученые давно уже выяснили, что мангровые заросли играют значительную роль в так называемом удерживании береговой линии или, как говорят геологи, в предотвращении эрозии берегов. Еще бы, ведь мощная корневая система мангровых растений довольно эффективна при погашении энергии волн. Та же корневая система также препятствует размыванию берегов, поскольку, при прохождении приливных вод через корневую систему последняя играет роль сита, отцеживающего различные частицы грунта. А когда при отливе вода уходит обратно, то корни замедляют ее движение и она не может унести доставленный грунт обратно в океан. Получается, что мангры как бы постоянно достраивают тот берег, на котором растут.Недавно же ученые обнаружили, что мангровые леса могут также весьма эффективно справляться с последствиями землетрясений. Они противостоят разжижению почв — одной из основных опасностей, связанных с этим стихийным бедствием. Это явление происходит от того, что в результате вибраций, возникающих при землетрясении, большие участки поверхности теряют свою механическую прочность и ведут себя как жидкость. Потому-то часто при сотрясении земли, и даже после него большие дома, дороги и другие крупные объекты просто "тонут" в земле, которая только что была твердой, но вдруг превратилась в "кашу". В частности, подобное явление еще больше усилило разрушения, вызванные сейсмической волной при землетрясении в Японии 11 марта 2011 года.Геолог Филипп Гюго из университета Фурье в Гренобле (Франция) и его коллеги, исследуя почвы мангровых зарослей и подстилающие их породы на острове Гваделупа, столкнулись с неожиданным эффектом. Они разместили акселерометры в разных местах района Беллеплейн, где в то время происходило небольшое землетрясение, и стали собирать данные о подземных толчках. Их заинтересовал один нюанс — в том месте, где были расположены мангровые леса, подземные толчки ощущались значительно слабее, чем в окрестностях. Ученые предположили, что это явно неспроста.Для того, что бы разгадать эту загадку, ученые пробурили в Беллепейне несколько скважин. И тут выяснилось, что наиболее слабо толчки ощущались в тех местах, где были обнаружены осадочные породы, представлявшие собой не что иное, как многометровые окаменевшие (впитавшие соли кальция) останки миллионов доисторических мангровых растений. Получается, что даже после смерти эти деревья продолжали защищать свой любимый берег от разрушения, образовав своеобразную "каменную подушку", которая как раз и гасила толчки. Ей удавалось это сделать потому, что внутри данного образования были воздушные полости, благодаря которым вся структура приобретала эластичность и гибкость."Гибкий мангровый слой уменьшает деформацию и напряжение в верхнем песчаном слое и, следовательно, снижает потенциал разжижения почв в этой местности" — так прокомментировал результаты исследований доктор Гюго. Он также отметил, что видимо, эти отложения защищали данное место в течение многих сотен тысяч лет. Этот вывод ученые сделали после того, как внимательно изучили берег, который, находясь в весьма сейсмоактивном месте, тем не менее, практически не обнаруживал следов былых землетрясений. В тоже время в окрестностях они были достаточно хорошо заметны.Итак, те, кто живут в районах произрастания мангровых лесов, могут не опасаться разжижения почвы при землетрясениях. А что же делать тем, кто обитает вдали от них. Доктор Гюго считает, что инженерам следует изучить структуру каменной мангровой "подушки" и на ее основе создать конструкцию, которую можно было бы подкладывать под землю в населенных пунктах сейсмоопасных зон. То есть, человеку, видимо, следует еще раз поучиться у природы…