ЧТОБЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ НЕ ЗАСТАЛО ВРАСПЛОХ
С. НЕГМАТУЛЛАЕВ, ЧЛ.-КОРР. АН ТАДЖИКСКИЙ ССР, И К. МИРЗОЕВ, КАНД. ФИЗ.-МАТ. НАУК
Наш специальный корреспондент В. Комов побывал в Душанбе, в Институте сейсмостойкого строительства, и сейсмологии Академии наук Таджикской ССР. Вот, что рассказали директор института член-корреспондент АН Таджикской ССР С. Негматуллаев и заведующий одной из лабораторий института кандидат физико-математических наук К. Мирзоев.
В СССР около 20% территории находится в зоне сейсмической активности. Она включает в себя районы с быстро растущим населением, в которых ведется бурное строительство. Предсказание землетрясений, и создание сейсмостойких сооружений - это очень важная для нас проблема.
Наши знания о природе образования очага землетрясений пока очень ограниченны, хотя на этот счет существует несколько гипотез. Большинство сейсмологов считают, что очаг землетрясения возникает в результате механического разрыва горных пород в коре и мантии. Другие полагают, что землетрясение есть результат физико-химических процессов, протекающих в коре, и мантии, а тектонические проявления землетрясения - подвижки, деформации - являются следствием этих процессов. Как бы там ни было, мы не можем остановить это грозное явление природы. Нам остается тщательно изучать его с тем, чтобы научиться предсказывать его наступление, и сделать так, чтобы землетрясение не разрушало дома, и промышленные сооружения, короче говоря, не угрожало нормальной жизни и работе людей.
Таджикистан вынужденно является уникальной природной сейсмической лабораторией. На его территории ежегодно регистрируется более тысячи эпицентров землетрясений различной природы, и силы. В республике построена и расширяется сеть сейсмических станций. Сейсмографы прилежно отмечают все подземные толчки, хоть сколько-нибудь интересующие исследователей. Каждый датчик прослушивает свое направление «север - юг», «запад - восток», и вертикальные толчки (или «ось z»). Раз в десять дней бумажные ленты с записью подземных толчков (сейсмограммы) собираются в институте, где производится детальная расшифровка их с помощью ЭВМ. Уже разработана и начинает устанавливаться телеметрическая система, которая позволит автоматизировать процесс передачи информации от датчиков до ЭВМ.
Но зачем нужны данные о землетрясениях, если они уже произошли? Как они могут быть использованы?
О ЧЕМ ГОВОРЯТ ПОДЗЕМНЫЕ ТОЛЧКИ?
Терпеливо отмечая отдельные непредсказуемые, и случайные явления, человек с помощью статистических методов определяет степень вероятности наступления случая, тем самым, как бы загоняя его в рамки закономерности.
Постепенно накапливая сведения о землетрясениях, классифицируя их, ученые построили карту сейсмического районирования. Эта карта оценивает в баллах сейсмическую опасность любого участка, что важно знать при строительстве, каких-нибудь сооружений, выборе места под населенный пункт и т. д. Недоучет баллов оборачивается плачевными результатами - разрушением зданий, а излишний запас прочности (как ни парадоксально, об этом часто приходится говорить), не находя себе применения, ведет к неоправданным перерасходам средств.
Анализ сейсмограмм показывает, что землетрясение представляет собою сумму простых колебаний с разной частотой, и интенсивностью. Выяснилось, что на землетрясения одной и той же силы одни здания реагируют в большей степени, а другие в меньшей; все зависит от того, колебания, какой частоты преобладают в подземном толчке. Например, у местных землетрясений, эпицентр которых находится в Таджикистане, преобладают высокочастотные составляющие, а те, которые происходят в Афганистане, воспринимаются у нас, как более низкочастотные. Дело в том, что колебания от дальних очагов, проходя через толщу земной поверхности, частично поглощаются, изменяя свой спектральный состав. Известно, что высокочастотное колебание поглощается лучше, чем низкочастотное. Отсюда, и основная область динамических воздействий от подземных толчков, приходящих издалека, имеет более низкочастотный состав.
Встала новая задача - уточнить карту сейсмического районирования, дополнив ее данными, учитывающими не только силу, но и частотный спектр землетрясений.
Таким образом, наблюдая, и тщательно учитывая прошедшие землетрясения, человек может более определенно судить о том, где можно строить, а где нежелательно, с, каким запасом прочности возводить строение и, как оно себя будет вести. Возникает естественный вопрос, а нельзя ли по, каким-либо предвестникам определить время, и место наступления сильного землетрясения? Ведь тогда можно было бы заранее к нему приготовиться, например, эвакуировать людей, отключить газ, электричество, сбросить воду в водохранилищах.
ПРЕДВЕСТНИКИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Прогнозирование землетрясений - один из важнейших аспектов работы сейсмологов. И хотя еще в 1911 году основателем сейсмологии академиком Б. Б. Голицыным были намечены основные направления, способствующие решению проблемы, пока еще нет четкого, и надежного способа прогнозирования землетрясения.
Однако накопленные наблюдения позволяют сделать некоторые выводы. В частности, удалось в отдельных случаях установить усиление сейсмической активности перед сильными, катастрофическими землетрясениями. При этом в данном районе уменьшается число землетрясений - с повышенной энергией. Правда, такой режим может длиться годами, и нет уверенности, что полученные данные могут быть распространены на другие районы.
Выше мы рассказывали о важности частотного спектра землетрясения. Оказывается, он тоже может быть использован в прогностических целях. Статистика показывает, что большинство слабых толчков в период нормального сейсмического процесса характеризуется высоким процентом содержания низкочастотных составляющих. Примерно за 3 - 4 месяца до сильного землетрясения в зоне его образования происходит резкое изменение спектра толчков с существенным ослаблением низкочастотных составляющих.
Известно, что под действием приливных волн, вызванных притяжением Солнца и Луны, земная поверхность совершает медленные движения - наклоны, и деформации. Изменение тектонических напряжений в зоне будущего очага сильного землетрясения тоже вызывает деформации земной поверхности. Согласно данным советских и японских исследователей, такая незапланированная деформация отмечается на расстоянии до 50 - 100 километров от очага. Фактические измерения говорят о том, что основная часть деформаций происходит в короткий период (обычно несколько месяцев) перед землетрясением. И хотя величина этого периода точно не определена, такие измерения считаются в настоящее время надежными для прогнозирования, если они проводятся непосредственно в эпицентральной зоне будущего землетрясения. Поэтому измерения стараются производить с максимально возможной точностью, и достаточно часто в сейсмоактивной зоне в пределах участка, где ожидаются сильные землетрясения. Выполнить их можно с помощью геодезических методов, при этом мы сразу получаем карту рельефа всей местности. Сняв через некоторое время еще раз карту, можно проследить относительные изменения рельефа за промежуток между измерениями. Но этот метод является весьма трудоемким, и, как следствие, очень остро стоит вопрос о частоте измерений. Можно регистрировать деформации и наклоны земной коры с помощью высокочувствительных приборов - деформографов, и наклономеров, устанавливаемых на сейсмических станциях.
В этом случае деформации регистрируются непрерывно, но только в той точке, где стоит прибор. Для получения общей картины приходится сопоставлять данные приборов, разбросанных по всей местности.
Существует много других физических параметров, которые пытаются, как-то связать с местом и временем наступления землетрясения. Здесь, и вариации магнитного поля Земли, изменение электропроводности пород, появление электрических полей, изменение химического состава подземных источников и т. д. Сравнительно недавно на Камчатке, и в Гармском районе Таджикской ССР началось изучение очаговых зон с помощью взрывов. Сейсмоактивный район периодически, как бы простреливается искусственно созданными сейсмическими волнами. Волновое поле, возбужденное взрывом, меняет свои динамические характеристики, если происходит изменение напряженного состояния массива. Эта методика позволяет проводить контролируемые эксперименты и при необходимости с любой частотой.
Даже такой краткий обзор показывает, что перед исследователями открывается много интересных возможностей. Правда, каждая из них имеет свои положительные, и отрицательные стороны. Работы по нахождению предвестников проводятся на специально оборудованных и дорогостоящих геофизических полигонах, где осуществляется целый комплекс исследований. Они разворачиваются широким фронтом, как у нас, так, и за рубежом.
Однако сейчас работа находится в начальной стадии, и время покажет, какой способ прогнозирования будет наиболее приемлемым.
Организация большого числа сейсмических станций, и полигонов, совершенствование методов наблюдений - все это позволяет получить большое количество ценнейшей информации. Но беда в том, что систематическая регистрация землетрясений с необходимой точностью проводится, каких-нибудь два десятка лет, в то время, как сами процессы подготавливаются медленно - столетиями, тысячелетиями. Образно говоря, мы весь период наблюдений потратили на исследование одного мгновения из истории развития, какого-нибудь землетрясения. Исследователи связаны по рукам и йогам также тем, что процессы происходят случайно, и редко по месту и времени. Вот почему наряду с развитием экспериментов в естественных условиях получили развитие модельные эксперименты в лаборатории.
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ В ЛАБОРАТОРИИ
В условиях лабораторного эксперимента происходит, как бы сжатие времени в течение двух-трех дней на модели наблюдается то, что в природе происходит столетиями; естественно, многое не учитывается, и упрощается, но полученные данные хорошо согласуются с тем, что наблюдается в естественных условиях, и поэтому позволяют сделать кое-какие выводы.
Известно, что чем землетрясения слабее, тем чаще они происходят, и наоборот, чем сильнее, тем реже. Сейсмологи строят график повторяемости; для разных местностей прямолинейный характер графика сохраняется, но наклон прямых различен. Почему это так, пока сказать нельзя, - слишком мало статистических данных, а войти непосредственно в глубь пород, посмотреть, что там творится, ученые, естественно, не могут. Было, конечно, высказано немало гипотез по этому поводу, например, связывают это явление со степенью неоднородности пород, которая в разных местностях может быть разная.
Решили проверить, а, как вообще ведет себя материал, имеющий разную степень неоднородное! и в процессе накопления напряжений? Образец устанавливался под пресс, на него укреплялся пьезодатчик, который передавал на магнитофон трески, раздававшиеся при появлении трещин. Появление каждой трещины является, как бы аналогом разрыва пород в земной толще, а сопровождающий ее треск - микротолчком. Много мелких трещин - много слабых тресков. Получился все тот же график повторяемости. Было установлено, что наклон прямой зависит от материала образца, и от скорости разрушения. Впервые эти опыты в Институте физики Земли АН СССР проделал С. Д. Виноградов, а сейчас работу продолжают его ученики в Таджикистане. В качестве образцов брался искусственный материал, состоявший из гранитных включений, склеенных цементным раствором. Можно было, варьируя величину включений, добиваться разной, а главное, четко фиксируемой степени неоднородности материала. После этих опытов сейсмологи более определенно связывают различие в графиках со степенью неоднородности пород и режимом накопления напряжений, определяющих сейсмику района. В естественных условиях даже между слабыми, частыми толчками проходят годы, и приходится долго собирать материал, чтобы установить закономерность. В лаборатории трещины образуются через секунды, доли секунд. Во время испытаний за несколько часов можно легко получить полную картину поведения образца от начала деформации до окончательного разрушения.
Эти работы обратили внимание исследователей также на некоторые явления, интересные для прогноза землетрясений. Запись разрушения образца есть, по существу, сейсмограмма микроземлетрясения, на которой полностью зафиксирована предыстория разрушения. Процесс характеризуется появлением целых пачек или серий импульсов, потом наступает затишье, небольшой перерыв, затем снова пачка импульсов. При подходе к окончательному разрушению приходит несколько одиночных импульсов, и только тогда наступает полное разрушение. Одиночные импульсы являются, как бы предвестниками полного разрушения. В переводе на события в естественных условиях это означает, что за несколько дней до сильного землетрясения должны быть предвестники - отдельные толчки. Такие явления наблюдались раньше при землетрясениях, но их зарегистрировано мало, и, кроме того, данные очень разрознены. Сначала на них не обращали внимания.
После модельных экспериментов стали более целенаправленно присматриваться к некоторым явлениям, сопровождающим землетрясения. Результат таких работ часто наталкивает на плодотворные идеи, и не приходится ожидать, когда будет накоплен многолетний статистический материал по естественным процессам.
До сих пор мы говорили об одной стороне проблемы землетрясения, как их предсказать и изучить. Но ведь люди живут, строят дома, не дожидаясь, пока сейсмологи дадут доскональные сведения о земных процессах. Возникают новые задачи те здания, которые уже построены, как они себя поведут? Или те, которые возводятся по вновь разработанным проектам,-тоже не все еще ясно, да, и, какие нужны проекты и, как надо рассчитывать?
СЕЙСМОСТОЙКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
Недаром Институт сейсмологии для решения некоторых из этих вопросов был в 1958 году преобразован в Институт сейсмостойкого строительства, и сейсмологии. Работа в этом направлении соответствует тем задачам, которые ставятся строителями и теми экспериментальными возможностями, которыми располагает институт.
В городе Душанбе есть много зданий, за которыми ведет наблюдение инженерно-сейсмометрическая служба. Например, дом № 90 по проспекту Ленина. Это многоэтажный дом с красивым орнаментом, удачно сочетающий в себе старинный национальный узор, и современный строительный материал железобетон. По понятиям сейсмоактивного района здание высотное - 8 этажей. Весь дом, все его этажи увешаны датчиками, передающими информацию в квартиру на первом этаже. Эта квартира контрольная. В ней не живут люди. Установленные здесь приборы фиксируют подземные толчки, а также малейшие смещения отдельных частей здания, позволяя накапливать ценную информацию о том, как вся эта железобетонная махина реагирует на колебания земли. Это мероприятие носит не только предупредительный характер, но и является экспериментом. Выражаясь языком кибернетики, происходит испытание своеобразного «черного ящика», только на «вход» подает сигналы природа в виде подземных толчков, которые человек тщательно классифицирует, а «выход» - поведение отдельных частей здания, улавливаемое датчиками. Специалисты пытаются заполнить промежуток, «черную пустоту» - создать математическую модель здания с тем, чтобы можно было объяснить, а главное, предсказать его поведение при тех входных воздействиях, которые природа пока еще держит в запасе.
Но, как бы много полезной информации ни получали специалисты от здания, какую бы совершенную аппаратуру ни установили, - они снова связаны по рукам, и йогам, потому, что режим испытаний им опять-таки навязывает природа, а он нерегулярен, довольно однообразен и слаб.
Другое дело - лаборатория. Здесь можно задавать любые режимы, любые сроки, имитировать очень сильные землетрясения, и наблюдать до тонкостей сам процесс разрушения здания. Правда, чтобы уместить, например, четырехэтажное жилое здание под крышей лаборатории, его нужно сделать в два раза меньше. Немножко странно выглядят пустые глазницы окон, но ведь пользоваться ими некому всех жильцов и все те вещи, которыми люди обычно заполняют свои квартиры, имитирует равномерный слой щебенки на полу. Все предметные потребности людей, даже с некоторым запасом, укладывают в норму - 200 килограммов щебенки на квадратный метр. О расцветке обоев в таких домах никто не думает, а вот о качестве отделки стен проявляют большую заботу ведь, помимо показаний приборов, мельчайшие узоры трещин на стенах дадут дополнительную информацию о процессе разрушения. Лабораторные испытания дома - очень хорошо, но они все-таки не дают всей информации, которая нужна строителям. Здесь мы выясняем картину взаимоотношения только между отдельными частями здания. В реальных условиях все обстоит несколько сложнее. Грунт, на котором стоит здание, - это своеобразная подушка под домом. И от конкретных свойств грунта сильно зависит, как одни, и те же для данной местности подземные толчки будут передаваться дому. А теперь заметим, что на свойства этой подушки влияет фундамент, вес и размеры - одним словом, конструктивные особенности здания. Все вместе, в совокупности создает конкретный сейсмический «микроклимат» для данного здания.
К тому же разные конструкции по-разному откликаются, резонируют на отдельные частоты всего спектра подземного толчка. Одним словом, специалистам приходится решать очень сложную задачу со многими неизвестными.
Чтобы попытаться уловить закономерности поведения здания с подушкой, лаборатории уже мало, - нужен настоящий испытательный полигон и такой у сейсмостроителей есть - это Ляур. Строители возвели там несколько типовых для местных условий зданий, имеющих фундаменты разной конструкции, уже в натуральную величину - целый микрорайон в поле. Технология испытаний здесь другая многолетняя подготовка скоро закончится специальными взрывами, имитирующими землетрясения. Задача состоит в том, чтобы, постепенно наращивая силу взрыва, довести дома до полного разрушения. О том, что «испытывали», что ощущали дома, расскажут датчики. Сейсмологи считают, что для полного разрушения зданий придется дойти до сильных взрывов - эквивалентных 9 - 10-балльному землетрясению. Разумеется, пришлось позаботиться о надежном укрытии для приборов и людей. Сейсмологи не теряют времени зря, и сейчас пока идет подготовка к большому эксперименту, приборы регистрируют поведение зданий от естественных толчков, правда, не таких сильных. Знакомая тактика любой момент, любую возможность использовать для накопления статистического материала о естественных процессах.
Программа испытаний предусматривает сравнение трех видов фундаментов гибкого, ленточного и свайного. Гибкий первый этаж давно применяется строителями. Дома этого типа стоят на бетонных столбах, поддерживающих второй, и остальные этажи. Эта конструкция так изменяет свойства здания, что оно, как бы уходит из основной области динамических воздействий подземных толчков в более низкочастотную часть спектра, где интенсивность колебаний меньше.
Период свободных собственных колебаний здания с гибким первым этажом обычно 1 секунда, в то время, как самые опасные колебания имеют период 0,1 - 0,3 секунды. Здание хорошо работает при местных землетрясениях, а также вблизи карьеров открытых разработок, где, по существу, взрывы воздействуют на жилые дома, как небольшие землетрясения. Но у гибкого первого этажа есть один недостаток. Землетрясения, имеющие низкочастотные колебания, на территории Таджикистана происходят часто. Такие, хотя и слабые, но частые «встряски» дома переносят тоже плохо. Приходится думать об усовершенствовании этой конструкции. Фундаменты двух других домов изменяют свойства здания, но по-разному позволяют выполнять сцепление с грунтом. Сваи, забитые на глубину нескольких метров, позволяют более цепко держаться за грунт, обеспечивая более жесткую, неизменяемую систему «грунт - здание», но энергия подземных толчков передается таким фундаментом полностью на здание. Ленточный фундамент, наоборот, гасит энергию колебаний, но если грунт под домом изменяет свои свойства, «проседает», например, под действием воды, контакт с грунтом у фундамента сильно меняет свои параметры, образуется неравномерная опора для здания. Все это нужно проверять, сравнивать в одинаковых условиях может быть, возникнут еще, какие-нибудь неожиданности. Строительство дома - дело, в общем, обычное, и при уточнении конструкции индустриальные методы строительства позволят обеспечить хорошее использование полученных результатов. Ну, а, как быть, если создается крупное, единственное в своем роде инженерное сооружение, например, плотина?
ПЛОТИНА ПРОХОДИТ ИСПЫТАНИЯ
Плотина Нурекской ГЭС расположена в районе, активном в сейсмическом отношении. Именно последнее обстоятельство' заставило сейсмологов проделать очень большую работу по уточнению сейсмического микроклимата на месте строительства.
Плотина Нурекской ГЭС перегораживает бурную реку Вахш, которая имеет ширину не больше нескольких десятков метров. Река окружена горами, поэтому плотина растет не вширь, а вверх - выше Эйфелевой башни. Трудно представить, что горы высотой в несколько сот метров скоро окажутся маленькими холмиками нa берегу будущего Вахшского моря. Строители, уведя Вахш через тоннели в сторону, насыпают тело плотины из местных материалов, делая ее похожей на окружающие горы,
Такая громадина потребовала очень тщательных модельных экспериментов по проверке расчетного запаса прочности.
Сейсмологи провели испытания модели плотины в 1/50 натуральной величины. Информация, собранная датчиками, облепившими модель, позволила сделать выводы о деформации тела плотины при воздействии землетрясений, правда, тоже ненатуральных, а от взрывов в специальных штольнях. j
Затем последовал цикл лабораторных испытаний на специально созданной сейсмоплатформе, где также изучались сейсмические деформации в зависимости от интенсивности колебаний основания плотины, но уже в другом режиме. Правда, в лаборатории плотина была еще меньше – 1/300 натуральной величины. На основании экспериментальных проверок был дан прогноз поведения натурной плотины Нурекской ГЭС при 9-балльном землетрясении. Специалисты выдали его в виде колонки цифр, показывающих, в, каких пределах будут изменяться параметры плотины. Если коротко подытожить, то оказалось, что плотина обладает значительным запасом прочности.
Сейчас, когда идет подготовка к пуску первой очереди Нурекской ГЭС, в глубоких тоннелях под телом плотины датчики, установленные сейсмологами регистрируют сейсмическую активность. у основания плотины. Позднее к ним добавятся приборы инженерно-сейсмометрической службы, которые будут следить за деформацией отдельных частей плотины под воздействием землетрясений.
Уточнение данных о характере землетрясений, попытки прогнозировать - их, разработка и тщательная проверка конструкций все это делает человека более сильным в борьбе с грозной и пока еще не управляемой стихией.
Читайте в любое время
