Плотина
Плоти́на, гидротехническое водоподпорное сооружение, перегораживающее русло (русло и долину) реки и удерживающее воду с одной (верховой) стороны на более высоком уровне, чем с другой (низовой), т. е. создающее подпор. Примыкающая к плотине часть реки с более высоким уровнем называется верхним бьефом, с низким уровнем – нижним бьефом. Разность уровней называется напором. Плотина небольшой высоты – запруда. Функции водоподпорных сооружений выполняют здания гидроэлектростанций (ГЭС), судоходные шлюзы, шлюзы-регуляторы и др.
Классификация плотин
По назначению плотины служат: для создания водного объекта в хозяйственных, рекреационных и других целях, напора на ГЭС, регулирования стока реки (водохранилища) во времени и обеспечения гарантированного водоснабжения, а также для создания судоходных глубин и др.
По возможности пропуска воды через створ различают плотины:
глухие, непосредственно через которые вода не пропускается (в этом случае при необходимости подачи воды в нижний бьеф её пропуск осуществляют через береговые водопропускные сооружения, здание ГЭС, шлюзы или другие специального сооружения);
водосливные плотины (водосбросные).
По типу основного материала различают плотины:
из грунтовых материалов;
из каменной наброски и из сухой каменной кладки или габионов;
каменно-земляные, в которых используются земля и каменная наброска;
каменные, выполняемые из каменной (бутовой) кладки на растворе, широко распространённые в прошлом;
бетонные и железобетонные (в которых в основном применён железобетон);
деревянные и комбинированные из различных материалов.
По способу обеспечения устойчивости (восприятия нагрузки от действия гидростатического давления со стороны верхнего бьефа) плотины разделяются на гравитационные плотины (нагрузка воспринимается силами трения тела плотины по основанию), арочные плотины (нагрузка передаётся на берега створа плотины за счёт арочного эффекта) и купольные (нагрузка передаётся на берега и дно реки).
По высоте создаваемого напора принято выделять низконапорные плотины (с напором менее 25 м), средненапорные (от 25 до 75 м), высоконапорные (более 75 м) и сверхвысоконапорные (более 150 м). Указанные границы выбраны несколько условно, однако сведения о высоте плотины несут много полезной информации.
По характеру основания различают плотины, построенные на мягких грунтах (проницаемых, нескальных) и на скальных грунтах. От вида грунта основания зависят характер фильтрации воды под плотиной, способ расчёта параметров фильтрации потока и выбор средств предотвращения фильтрации. Т. е. свойства грунта влияют на устойчивость плотины и возможность создания максимального напора.
Тип и конструкция плотин
Бетонные гравитационные плотины широко распространены во всём мире благодаря простоте конструкции и способам возведения, надёжности в любых природных условиях. С 1934 г. для повышения прочности бетонных плотин и усиления их связи с основанием применяются анкеры (стальные тросы, опущенные в специальные скважины в теле плотины и в основании, зацементированные на глубине 22–24 м от подошвы плотины). В большом количестве в мире строятся облегчённые бетонные контрфорсные плотины.
Грунтовые плотины просты по конструкции, их строительство возможно в очень широком диапазоне геологических условий. При возведении могут широко применяться местные строительные материалы, обеспечивается почти полная механизация труда и сокращение трудозатрат. Грунтовые плотины можно считать самым распространённым типом водоподпорного сооружения. По конструкции грунтовые плотины бывают однородными, возводимыми без специальных противофильтрационных элементов, и неоднородными, тело которых состоит из грунтов двух или нескольких видов. По методам производства работ грунтовые плотины делят на насыпные плотины, намывные плотины, набросные плотины, взрывонабросные, из сухой кладки камня. По условиям пропуска строительных и эксплуатационных расходов воды грунтовые плотины подразделяют на глухие, фильтрующие и переливные.
В деревянной плотине действующие нагрузки воспринимаются деревянными элементами, а устойчивость против сдвига обеспечивается закреплением сооружения в основании и загрузкой балластом из грунтовых материалов. Деревянные плотины, как правило, устраиваются водосливными. Глухие деревянные плотины даже в местностях, богатых строительным лесом, более дорогостоящие, чем земляные или каменнонабросные. Тип деревянной плотины зависит от конструкции её нижней флютбетной части (совокупность основных подводных частей водосливной плотины, образующих искусственное ложе для открытого водного потока), устраиваемой по одному из следующих типов: свайному (в котором нагрузка от воды воспринимается сваями, забиваемыми в грунт основания), ряжевому (нагрузки передаются стенками ряжей, устраиваемых непосредственно на грунт основания), свайно-ряжевому (нагрузки передаются на свайный ростверк). Изредка строятся контрфорсные и арочные деревянные плотины.
Мягкие конструкции могут широко применяться при строительстве плотин малых напоров. Мягкие подпорные сооружения подразделяются на сооружения, наполняемые водой, воздухом или водой и воздухом, мембранные и комбинированные. Для мягких оболочек используют резино-тканевые, плёночно-тканевые и плёночные материалы. В стальных плотинах, которые по существу являются контрфорсными, наклонная напорная грань выполнена из стали, а контрфорсы или сквозные фермы, являющиеся опорными конструкциями, выполняются как из стали, так и из железобетона.
Расчёт плотины носит комплексный и многофакторный характер. При проектировании плотины проводятся расчёты: фильтрации в теле плотины и в основании, напряжённого состояния основания, напряжённого состояния тела плотины, восприятия сейсмических нагрузок, устойчивости откосов плотины, сопряжения с основанием и др.
Историческая справка
Искусство возведения плотин известно с глубокой древности. О водоподъёмных плотинах упоминает Геродот. Абу аль-Фида сообщает о плотине, построенной персами для отвода воды от г. Тостар. Аббас I Великий соорудил близ Кашана каменную плотину длиной 36 м, высотой 16 м и толщиной 10 м, снабжённую у подошвы каналом для пропуска воды. Самая древняя из известных плотин датирована 3000 г. до н. э., она располагалась в 100 км от Аммана. Это была каменная стена высотой 4,5 м и толщиной 1 м. В 2800 г. (2600) до н. э. в 25 км от Каира была возведена плотина протяжённостью 102 м, высотой 14 м. Плотина высотой 3,25 м для защиты от нильских паводков построена 4500 лет назад и существует до сих пор.
На территории бывшего СССР водяные мельницы с плотиной строились ещё во времена Древней Руси. В 17–19 вв. использовали в основном механическую энергию гидросиловых установок (такие плотины были незначительны по размерам и сооружались из местных материалов). Мощные ГЭС с бетонными и земляными плотинами больших размеров начали строить лишь при советской власти, после принятия плана ГОЭЛРО. В 1926 г. построена первая бетонная водосливная плотина Волховской ГЭС. В 1932 г. сооружена высокая бетонная плотина Днепровской ГЭС (её наибольшая высота около 60 м). Водосливная плотина Нижнесвирской ГЭС – первая плотина, построенная на слабых глинистых грунтах. В 1950-х – 1970-х гг. на многоводных реках были сооружены:
намывные земляные плотины на Волге, у Куйбышева и Волгограда;
бетонные плотины Братской ГЭС на Ангаре (высота 125 м) и Красноярской ГЭС на Енисее (124 м);
плотина Токтогульской ГЭС на реке Нарын – наиболее высокая бетонная плотина, созданная в СССР (высота 215 м, Киргизская ССР);
каменно-набросная плотина Нурекской ГЭС на реке Вахш (высота 304 м, Таджикская ССР, рис. 1);
арочно-гравитационная бетонная плотина Саяно-Шушенской ГЭС на Енисее (высота 242 м, РСФСР, рис. 2) и многие др.
Из плотин, сооружённых за рубежом, наиболее известны: многоарочная плотина Бартлетт (высота 87 м, США), каменная плотина Парадела (высота 112 м, Португалия), земляная плотина Сер-Понсон (высота 122 м, Франция), каменно-земляная плотина Миборо (высота 131 м, Япония), бетонная контрфорсная многоарочная плотина Даниел-Джонсон (высота 214,3 м, Канада), бетонная водосбросная плотина (высота 185 м) самой крупной в мире ГЭС (2014) «Санься» («Три ущелья») на реке Янцзы. Самая высокая бетонная гравитационная плотина в мире, построенная на скальном основании, – плотина Гранд-Диксанс в Швейцарии (высота 284 м). Высота проектируемой на реке Голубой Нил плотины Абу-Шенейна в Судане составит 335 м. В случае осуществления проекта это будет самая высокая плотина в мире.
Плотина «Даниел-Джонсон» (Канада).Обеспечение безопасности
В Российской Федерации безопасность гидротехнических сооружений регулируется Федеральным законом «О безопасности гидротехнических сооружений», принятым Государственной Думой 23 июня 1997 г. Мероприятия по обеспечению безопасности должны выполняться, начиная со стадии проектирования. В ходе возведения плотины должна производиться проверка на соответствие работ, свойств оснований и строительных материалов проектным данным. В ходе эксплуатации сооружения требуется осуществлять натурные наблюдения (мониторинг плотины с помощью контрольно-измерительной аппаратуры). Помимо аппаратного мониторинга, на всех плотинах следует выполнять натурные визуальные и геодезические наблюдения. Различают два случая несоответствия плотины проектно-нормативным требованиям: потенциально опасное состояние и предаварийное состояние.
Проведение измерений, наличие плана действий в экстренных ситуациях и готовность персонала гидроузла к аварийным ситуациям способны предотвратить аварии и помочь избежать трагических последствий. В 1993 г. на Курейской плотине (Российская Федерация) резко возрос фильтрационный расход через насыпь. Произошло вымывание мелкозернистого грунта, на откосах появился и стал расти провал, грозящий катастрофическим прорывом воды через считанные часы. Руководство гидроузла смогло предотвратить катастрофу, резко снизив уровень воды в верхнем бьефе, организовав немедленную засыпку образовывавшейся воронки и кольматацию трещины с верховой стороны глинистым грунтом.
Однако не всегда удаётся избежать техногенных катастроф. Так, в 1928 г. из-за аварии на плотине Сент-Франсис (США) погибло около 600 человек. В 1959 г. на плотине Мальпассе (Франция) – 423 человек. В 1963 г. на плотине Вайонт (Италия) – 2500 человек. В 1975 г. на плотине Баньцяо (Китай) – 171 тыс. человек. В 2009 г. на Саяно-Шушенской ГЭС – 75 человек.