Плотины являются. Основы гидроэнергетики. Типы плотин. Из чего была сделана древнейшая плотина

Из всех плотин самое большое впечатление безусловно производят арочные. Кажется совершенно невероятным, как тонкая выгнутая бетонная стена держит миллиарды тонн воды, да еще при этом имеет огромный запас прочности. Ну и в конце концов, арочные плотины просто очень красивы.

Сяовань — высочайшая арочная плотина мира. Фото отсюда

Принцип действия арочных плотин принципиально отличается от всех других типов плотин. Если гравитационные и контрфорсные плотины давят на основание, то арочные переносят нагрузку на берега. Арочная плотина может быть даже специально отрезана от основания особым швом-разрезом (так иногда делают для разгрузки напряжений, возникающих в некоторых типах плотин).

Плотина Люмей со швом в основании

При этом, бетон в арочной плотине работает на сжатие, а в такой ситуации его прочность чрезвычайно велика. Соответственно, арочная плотина может быть удивительно тонкой — при высоте в сотню метров ее толщина может составлять всего 2-3 м.

В то же время, такие тонкие арочные плотины строят не всегда. В зависимости от конкретных условий, более эффективным может оказаться строительство более толстой или даже арочно-гравитационной плотины, устойчивость которой обеспечивается как упором в берега, так и собственным весом.

Главное преимущество бетонной плотины — значительная экономия бетона, достигающая 80% от количества бетона в гравитационной плотине. В то же время, арочные плотины предъявляют особые требования к берегам — к ширине долины, ее форме и качеству пород.

Ингурская плотина. Фото отсюда

В широких долинах строительство арочных плотин неэффективно. Существует специальный коэффициент, отражающий отношение длины арочной плотины по гребню к ее высоте (L/H). Наиболее эффективно строительство арочных плотин в случае, если этот коэффициент не превышает 3,5, хотя известны случаи строительства арочных плотин и в относительно широких створах — так, для Саяно-Шушенской ГЭС L/H=4,56, для плотины Пьеве ди Кадоре в Италии L/H=7,45.

Плотина Пьеве ди Кадоре. Фото отсюда

Не любят арочные плотины и ассиметричных долин — в их арка нормально не работает. При необходимости, прибегают даже к строительству специальных врезок и подпорных стенок. Ну и наконец, породы, в которые упирается арочная плотина, должны быть весьма прочными. Соответственно, идеальное место для арочной плотины — горное ущелье, где собственно они в основном и строятся.

Схема плотины ГЭС Сяовань.

Устойчивость арочных плотин чрезвычайно велика. В модельных экспериментах они разрушались лишь при нагрузках, в 3-5 раз превышающих расчетные. Известен пример катастрофы на плотине Вайонт (очень высокой и очень тонкой), когда сошедший в водохранилище оползень вызвал перелив воды через плотину слоем не менее 70 м — плотина устояла и более того, почти не была повреждена.

Плотина Вайонт. Фото отсюда

В России арочных плотин немного — три чисто арочных (Чиркейская, Миатлинская и Гунибская) и две арочно-гравитационных (Саяно-Шушенская и Гергебильская). Существует проект Агвалинской ГЭС на р.Андийское Койсу с арочной плотиной высотой 210 м.

Чиркейская ГЭС. Фото отсюда

Высочайшей арочной плотиной мира является плотина китайской ГЭС Сяовань на р.Меконг высотой 292 м, введенная в эксплуатацию в 2010 году. До того, долгое время лидерство удерживала плотина Ингурской ГЭС в Грузии, ее высота 271,5 м. Много высотных арочных плотин строится в Китае — например, плотина ГЭС Силуоду высотой 278 м (кстати, мощность ГЭС тоже впечатляет — 13 860 МВт!). Там же строится и высочайшая арочная плотина мира — Жинпинь-1 высотой 305 м. Впрочем, и это не предел — существует красивый проект плотины Абу-Шенейла в Судане высотой 335 м!

Содержание статьи

ПЛОТИНА, массивная перемычка, возводимая для удержания водного потока, основное гидротехническое сооружение при использовании и регулировании водных ресурсов. Уже в доисторические времена в Египте , Месопотамии и других районах обитания человека строились простейшие плотины в виде насыпей из земли и камней. На протяжении многих веков устройство плотин определялось соображениями, почерпнутыми только из практического опыта, и лишь в 1853 французский инженер Де Сазилли теоретически обосновал их конструктивные принципы.

Водосливные плотины возводятся, чтобы повысить уровень воды в реке или отвести водоток, что обычно необходимо при строительстве электростанций, для обеспечения судоходства или орошения земель. Глухими плотинами (без пропуска воды) перегораживают водоток и создают водохранилища, предназначенные для обеспечения городов водой или электроэнергией либо для ирригационных целей и т.п. У многих плотин этого типа верхняя часть устраивается так, что при необходимости может служить водосбросом. Плотина противодействует напору воды либо собственным весом (гравитационные плотины), либо своей конструкцией, силовые элементы которой обеспечивают устойчивость всего сооружения (арочные, контрфорсные плотины). Гравитационные плотины делают в виде каменной кладки, бетонных заграждений, земляного или скального (щебневого) заполнителя; другие плотины строят из бетона, железобетона, стальных конструкций или лесоматериалов.

Сдвигающие силы.

На плотину воздействуют различные сдвигающие силы, обусловленные давлением воды, льда, наносов, ветра, ударами волн, силами тяготения, температурными перепадами, реакцией грунта. В некоторых местностях необходимо учитывать и возможность землетрясений. Недоучет каких-либо сил может привести к разрушению плотины вследствие сдвига ее основания или перегрузки ее конструктивных узлов.

Горизонтальная составляющая давления воды возрастает с глубиной, будучи равной произведению wh , где h – глубина и w – вес единицы объема воды. Следовательно, суммарное гидростатическое давление на единичной длины элемент поперечного сечения тела плотины составляет 1/2 (wh 2), а равнодействующая его вертикального распределения приложена на уровне трети высоты плотины. При расчете давления воды на плотину труднее всего определить фильтрационное давление, действующее на подошву сооружения вследствие того, что под него просачивается вода. Чтобы выяснить порядок величины таких сил, проводятся многочисленные исследования как на моделях плотин, так и в натурных условиях. Значения этих сил изменяются в зависимости от способности грунтового ложа пропускать воду. Если подушкой фундамента плотины служат галька, речной песок, пористая порода или какие-либо неплотные отложения, то давление на основание опорной призмы плотины будет равно полному гидростатическому напору. Когда же основание плотины скрепляется цементным раствором с монолитным скальным грунтом и раствор заполняет все его щели, то такое давление составляет сравнительно небольшую долю (10–40%) гидростатического напора. Уменьшение его вдоль подошвы плотины от верховой опорной призмы к низовой зависит от расстояния и сдвигающих сил и у бровки низового откоса плотины становится меньше напора в нижнем бьефе. Площадь подошвы плотины, на которую действует фильтрационное давление, меняется от полного ее значения (для плотин на песчаном и галечном грунте) до 0 (для плотин с добротным бетонным понуром на скальном грунте). Чтобы уменьшить влияние фильтрационного давления, делают дренажные и обводные пути для водных потоков, способных проникнуть под плотину.

Основное воздействие волн на плотину проявляется в периодическом изменении глубины водной массы, соприкасающейся с плотиной, хотя при некоторых обстоятельствах напорная грань плотины может испытывать и мощные удары волн, обусловленные их кинетической энергией. Хорошее приближение к действительности дает формула Хоксли () зависимости высоты волны h от длины L ее «нагона» (в метрах), т.е. того расстояния, на котором волна набирает свою полную высоту. Давление льда на плотину определяется не вполне точно, но все-таки оно гораздо меньше тех сил, которые возникают из-за увеличения объема водохранилища перед плотиной. Практически приемлемая оценка давления льда составляет в среднем 210 кг/м 2 . Давление от ледяных масс можно уменьшить, продувая воздух через перфорированные трубы, уложенные перед плотиной на большой глубине. Воздушные пузыри, поднимаясь вверх, гонят более теплую воду к поверхности, и она препятствует образованию льда.

Гравитационные плотины.

Гравитационная плотина застрахована от развала, если результирующая всех действующих на нее сил давления и тяжести приложена к основанию сооружения; тем не менее для плотины безупречной конструкции требуется, чтобы эта результирующая прилагалась к основанию ядра, расположенного в средней части тела плотины. Сжимающие напряжения, развивающиеся в низовой и верховой опорных призмах плотины, можно рассчитать из формулы V /b (1 ± 6e /b ), где V – вертикальная составляющая силы реакции опоры, e – удаление точки ее приложения от центра, b – ширина основания плотины; знак плюс в скобках берется для низовой призмы, а минус – для верховой. Если точка приложения результирующей силы выходит за границы средней трети основания призмы плотины, но все же находится в пределах самого основания, то напряжение на низовой призме определяется по формуле 2V /(b /2 – e ). При этом допустимые напряжения должны быть с запасом меньше разрушающих. Сдвигу плотины препятствует в основном ее трение по грунтовому ложу, равное произведению V Ч f , где f – коэффициент трения. Сопротивление сдвигу плотины обеспечивается дополнительно заглублением выступов ее подошвы (зубьев) в грунт.

Гравитационные плотины в плане обычно представляют собой дуги, опирающиеся на крутые и прочные берега реки; таким сооружениям присущи свойства арок. Распределение сопротивления смещениям такой плотины, вообще пропорциональное массе и другим физико-механическим характеристикам материала, из которого она построена, не удается описать точной формулой.

Утечки.

Чаще всего вода просачивается за каменную плотину через подстилающий слой грунта. Если плотина ставится на пласте водопроницаемой породы, то обычно ее диафрагма заглубляется в грунт так, чтобы полностью перекрыть путь фильтрационной воде или свести ее просачивание к минимуму. Напорную грань плотины стараются сделать водонепроницаемой, но все равно в теле плотины желательно заранее предусмотреть дренаж просачивающейся воды. Земляные плотины обычно делают с диафрагмой из бетона либо срединную часть их толщи (ядро) заполняют более плотным грунтом. В каменно-набросных плотинах либо возводятся водонепроницаемые диафрагмы (из конструкций и плотных природных материалов), либо их напорные грани выполняют из бетона, асфальтобетона или листовой стали.

При строительстве плотин из монолитного бетона необходимо предусматривать специальные меры, исключающие появление трещин, через которые может просочиться вода. Дело в том, что при замесе на воде смеси цемента с песком и гравием или бутовым камнем в образующейся массе жидкого бетона развивается химическая реакция с выделением тепла и повышением температуры, а затем, при затвердевании, бетон остывает неравномерно и происходит его усадка, при которой в нем могут образоваться усадочные раковины и трещины. Вредные последствия разогрева и усадки бетона, способные привести к образованию полостей и трещин, можно уменьшить, контролируя процесс замеса различными способами: использовать в нем цемент с низкой экзотермией; сводить к допустимому минимуму долю цемента; предварительно остужать раствор до его укладки, чтобы создаваемый бетонный блок формировался уже при пониженной температуре; охлаждать замешиваемую массу, используя водяную или какую-либо другую систему охлаждения. Обычно ширина формируемого монолитного блока не должна превышать 15 м, толщина слоя бетонного раствора, укладываемого за один прием, – 1,5–3 м. Следующий слой или смежный блок можно укладывать по истечении некоторого времени или при соответствующем понижении температуры уже уложенного раствора. Стыки соседних блоков перекрываются гидроизоляционными заслонами из резины, пластика или некорродирующего металла. Тем не менее предусматриваются меры для свободного оттока воды с внутренней стороны гидроизоляции.

Арочные плотины.

Арочная плотина в виде единой дуги, перекрывающей речной поток от одного берега до другого, отличается прочностными достоинствами своей конструкции. Она выдерживает напор воды благодаря трем важным свойствам, в совокупности обеспечивающим ее устойчивость: 1) сопротивлению вертикальных элементов ее конструкции (которые действуют как консоли, заделанные в основание); 2) массе; 3) особенностям арочной конструкции, опирающейся концами на береговые устои и передающей через них напор воды. Если речная долина относительно узка, то основную нагрузку водной массы выдерживает арка как таковая; когда русло широко, существенную роль играют и остальные два свойства. У экспериментальной плотины Стивенсон-Крик, рассчитанной на перепад уровней воды 18 м, оторвалась опорная призма напорной грани при перепаде уровней 6 м, но после этого арка выдержала полную нагрузку. При подходящем рельефе местности строительство арочной плотины экономически выгодно, поэтому в 20 в. таких сооружений возведено довольно много.

Нагрузки.

Напряжения, которые испытывают элементы конструкции арочной плотины, иногда рассчитывают, рассматривая плотину как сегмент кругового цилиндра с распределенной радиальной нагрузкой. При этом вид формулы довольно прост: S = 41,9RH /T , где S – напряжение, R – радиус кругового цилиндра, H – высота водяного столба, расположенного выше уровня рассматриваемого элемента конструкции плотины, T – толщина арки плотины на этом уровне. В результате получается, что толщина должна быть постоянна на одном и том же уровне и увеличиваться от гребня к основанию плотины. Поскольку при этом не учитываются напряжения, возникающие из-за температурных изменений, усадки материала и укорачивания ребра арки, модель простого цилиндра нуждается в уточнении и, принимая во внимание размеры плотин, необходимо проводить расчеты по всей последовательности горизонтальных сечений тела плотины, рассматривая каждое из них как упругую арку, заделанную концами в береговые устои. Процедура расчетов подобна той, которая используется при конструировании арочных мостов.

Поскольку поперечное сечение долины реки имеет V-образный профиль, дуга гребня арочной плотины оказывается гораздо длиннее дуги ее основания. Если в расчетах по горизонтальным сечениям от гребня до основания плотины брать за основу дуги одного и того же радиуса, то кривизна основания плотины окажется недостаточной, поэтому некоторые арочные плотины рассчитывают при условии постоянства центрального угла для всех горизонтальных поперечных сечений. Однако это условие иногда приводит к негладким контурам проектируемого сооружения, поэтому на практике обычно находят компромиссные подходы, пользуясь постоянством то радиуса, то центрального угла.

Многопролетные плотины.

Относительно низкие плотины на реках с широким руслом в скальном ложе нередко строят из структурных узлов в виде непрерывных пролетов между опорами, контрфорсами или фермами. Напорные перекрытия, формирующие напорную грань плотины, могут представлять собой бетонные цилиндрические арки, армированные бетонные плиты либо конструкции листовой стали или толстых деревянных досок. Угол наклона напорной поверхности плотины относительно направления течения реки обычно выбирают близким к 45° , поэтому составляющая веса воды, действующая на плотину, способствует повышению ее устойчивости.

Многоарочная плотина компонуется из бетонных полуцилиндров, опирающихся краями на контрфорсы, расположенные через каждые 15 м. Низкие плотины на широких реках со скальным грунтом выгодно делать из таких многоарочных конструкций, так как арки работают в основном на сжатие, благодаря чему при строительстве достигается экономия материалов. Нижние края полуцилиндров обычно снабжаются бетонным анкерным зубом, заглубляемым в скальный грунт. В те места арок, где могут возникать растягивающие напряжения из-за температурных колебаний, вводится стальная арматура; в районах с холодным климатом бетонные арки следует делать толще, чтобы уберечь арматуру от низкотемпературной коррозии. Перекрытия могут выполняться и в виде сегментов купола.

В плотинах с перекрытиями из железобетонных плит опорами служат треугольные контрфорсы, а каждая плита изготавливается так, что заполняет собой пролет между смежными опорами и стыкуется с зубом плотины. В районах с холодным климатом тонкие плиты непригодны для такого типа плотин, так как быстро теряют эксплуатационные характеристики.

Плотин с напорными перекрытиями из листовой стали строилось немного; обычно они рассчитываются на малый напор. В типичной конструкции такого сооружения листы стали, наклоненные под углом 45° к потоку, перекрывают относительно небольшие пролеты стальных рам с анкерным креплением в скальном грунте. Однако листовая сталь прогибается между опорами и испытывает напряжения на растяжение, а не на сжатие (как арка). Для предотвращения просачивания воды под плотину листы у основания сооружения заделываются в зуб плотины. Листовая сталь применяется также в мембранах каменных плотин.

Плотина - это сооружение, которое помогает перегородить подъем воды или ее течение в тех или иных целях. Самые первые постройки данного типа были обнаружены в Египте, где использовались для создания хранилищ воды. Такой объект археологи из Германии нашли в двухстах километрах от Каира. Это была плотина с собственным именем "Сад-эль-Караф", которое встречается в записях Геродота. Относительно ее возраста специалисты расходятся во мнениях. Одни полагают, что ее построили в 3200 году до нашей эры, другие - что в промежутке между 2950-2750 гг.

Из чего была сделана древнейшая плотина?

Каких размеров была самая древняя плотина? Это внушительное сооружение представляло собой двойную каменную стену, между сторонами которой были дополнительно набросаны осколки камней. Длина плотины составляла по гребню более 100 метров, высота же доходила до 12 метров. Подобный проект позволял аккумулировать до двух миллионов кубометров воды в Вади-эль-Гарави.

Китайцы строили масштабно и на века

Некоторые историки считают, что плотины в строились повсеместно в точках развития той или иной локальной цивилизации. К примеру, в Месопотамии найдено каменное сооружение, датируемое седьмым веком до нашей эры. В древней же Сирии строились подобные сооружения за полторы тысячи лет до Рождества Христова. (Нахр-эль-Асси). Масштабное строительство плотин наблюдалось и в Древнем Китае. Здесь прославился мастер, а впоследствии и император Юй, которому в 2283 году до нашей эры действовавший властитель поручил управление всем водным строительством в империи. Под руководством Великого Юя (как его до сих пор величают), была возведена не одна плотина. Это было масштабное строительство на века и тысячелетия, которое позволило к 250 году до Р. Х. орошать, к примеру, 50 000 квадратных километров в пустынях Сычуаня за счет вод реки Миньцзян. И именно в Китае зародилась практика строить гидротехнические сооружения с использованием такого элемента, как арка.

Их проектировал сам да Винчи

В Европе, где проблема орошения стояла не так остро, как в Азии и в Африке, плотины появились значительно позже - в 16-м веке. Арочные варианты, в частности, упоминаются в испанских летописях в 1586 году, но инженеры полагают, что сами устройства могли быть сооружены на столетия раньше. Это основывается на том, что в их проектировании участвовали гении того времени - Леонадо да Винчи, Малатеста, Мечини, а также с учетом наработанного опыта, который пришел в Европу после контактов с арабским миром. Например, известно, что даже такое, на первый взгляд не очень прочное сооружение, как земляная плотина, эксплуатировалось в течение века, прежде чем разрушилось (была возведена во Франции в 1196 году).

Использование плотин на Руси

Для Руси с ее богатыми водными ресурсами также, на первый взгляд, не особо требовались плотины. Однако здесь они существовали с 14-го века нашей эры и использовались в системах Первое упоминание о плотинах отмечено в завещании Дмитрия Донского, относимого к 1389 году. Особый интерес к таким сооружениям проявил Петр Первый, поэтому в 18-м веке в Российской империи было уже более 200 объектов, среди которых выделялась высокая земляная плотина - Змеиногорская. Водные ресурсы посредством таких устройств передавались для использования на текстильных, горных и других предприятиях того времени.

Плотина - это которое может относиться к тому или иному виду объектов в зависимости от классификации. Сегодня выделяют устройства водохранилищные, водоопускающие и подъемные. Водохранилищные плотины, как правило, очень высокие и имеют возможность регулировать сброс воды. Невысокие же сооружения (к примеру, для устройства прудов) стока обычно не имеют. Еще одной важной классификацией является подразделение объектов в зависимости от глубины воды перед заплотом. Здесь выделяют низко-, средне- и высоконапорные плотины (до 15, 50 и более 50 метров соответственно).

Плотины для рек и оврагов

Плотины на реках могут быть возведены как поперек (для поднятия уровня вод, обустройства водопада, силой которого можно как-то пользоваться; для того, чтобы сделать мелководную проходимой для судов), так и вдоль (для защиты от наводнений). В некоторых случаях плотинами перегораживаются ручьи, овраги, ложбины - для удержания в них талых снеговых вод, которые потом используются для полива или для подпитки судоходных каналов.

Основные элементы ГЭС

В состав гидротехнических сооружений обычно входит плотина, водохранилище перед или после неё, установка для водоподъема, комплекс гидроэлектростанций, спуски для прохода рыбы, слив воды (если система водопропускная), сооружения для и очистки системы от наносов. Крупные объекты выполняются из железобетона, небольшие же могут строиться из грунта, металла, бетона, дерева или даже ткани. Известно, что во время наводнения в Комсомольске-на-Амуре защитная плотина состояла из солдат МЧС, державших на себе полотна пленки, которые не давали воде перехлестнуть через вершины имеющихся защитных сооружений.

Как дамбы могут принимать нагрузку?

Другая классификация плотин отражает то, как эти объекты противостоят нагрузкам. Гравитационные постройки воспринимают удары всей своей массой и сопротивляются за счет сцепления подошвы плотины и основания, на котором она стоит. Такие варианты, как правило, очень массивные. К примеру, плотина ГЭС на реке Инд (дамба Тарбела) имеет высоту около 143 метров, а длину - более 2,7 км, что создает общий объем в 130 млн куб. метров. Арочные объекты передают давление на берега. Если арка широкая и давление большое, то применяются арочно-гравитационные модели или арки с контрфорсами в основании. Контрфорсные же варианты имеют более тонкую стену плотины, но усиленное основание за счет подпорочных элементов. Возводят плотины сегодня насыпным или намывным методом, а также методом направленного взрыва.

Последствия аварий

Аварии на плотинах несут с собой существенные материальные потери, так как разрушается не только уникальное оборудование, но и останавливаются предприятия, которые работают на электричестве и поставках воды с данной плотины. Водными потоками смываются иногда целые населенные пункты, заливаются посевные площади, утрачивается урожай. Но самое страшное то, что могут почти мгновенно погибнуть десятки, сотни и даже тысячи людей.

Так, в марте 1928 года в каньоне Сан-Францискито произошло разрушение плотины Сент-Фрэнсис, тогда погибло около шести сотен человек, а многометровые куски самой плотины находили на расстоянии около километра от места прорыва. В СССР в период Великой Отечественной Войны (1941 год) было принято решение о намеренном подрыве плотины Днепрогэс в связи с оккупацией Запорожья фашистскими войсками. Массивное сооружение из бетона было частично повреждено с помощью 20 тонн аммонала. Сколько тогда погибло людей, до сих пор точно не определено. Называют цифры от двадцати до ста тысяч человек, включая войска, беженцев и население, которое могло находиться на левом берегу Днепра, принявшего основной удар водной стихии.

Общее число жертв - около 230 тысяч человек

Послевоенные аварии на плотинах крупных электростанций повлекли за собой еще более крупные жертвы. В августе 1975 года при прорыве дамбы Баньцяо только утопленников оказалось 26 000 человек, а с учетом распространившихся эпидемий и голода число погибших достигло 170-230 тысяч человек. Тогда же было уничтожено около трети миллиона голов скота и разрушено около 6 миллионов зданий и построек. На восемнадцать дней была закрыта магистраль из Гуанчжоу в Пекин. И все это произошло потому, что плотины, рассчитанные на максимальное число осадков, не выдержали натиска водных масс, которые принес тайфун «Нина». 8 августа 1975 года развалилась самая малая из дамб, что повлекло сброс воды в Баньцао, где за короткий срок были прорваны 62 плотины. Образовавшаяся волна была шириной до 10 км и высотой от трех до семи метров. Некоторые китайские села были полностью смыты вместе с их жителями.

Чтобы предотвратить прорыв плотины, сегодня предпринимается ряд мероприятий, среди которых - соблюдение параметров проектирования дамбы, проверка на соответствия в ходе работ, наблюдения в ходе эксплуатации, сбор визуальной и геодезической информации и др. Для плотин различают два несоответствия требованиям проектов и нормативов: "К1" - объект имеет потенциально опасное состояние и нужны срочные меры по устранению его причин, и "К2" - предаварийное состояние, возможно разрушение, нужны спасательно-эвакуационные работы.

Классификация. В СНиП II-54-77 ; бетонные и железобетонные плотины по конструкции разделяются на следующие основные виды.

Гравитационные (рис. 7.1, а-6): массивные (рис. 7.1, а); с расширенными швами (рис. 7.1,6); с продольной полостью у основания (рис. 7.1,в); с экраном на напорной грани (рис. 7.1, г); с анкеровкон в основание (рис. 7.1,6).

Гравитационная плотина - массивное сооружение, устойчивость которого обеспечивается в основном массой сооружения.

Контрфорсные (рис. 7.1, е-з) с массивными оголовками (массивно-контрфорсные, рис. 7.1, е); с арочным перекрытием (многоарочные, рис 7.1, ж); с плоским перекрытием (рис. 7.1,з).

Эти плотины представляют собой ряд расположенных на некотором расстоянии друг от друга контрфорсов 5 (стенок) с напорными перекрытиями в виде массивных оголовков 6, или арок 7, или плоских плит 8 и др. (куполы, гибкие перекрытия).

Арочные - при (рис7.1, м; b - ширина плотины по основанию, h - высота плотины); с защемленными пятами (рис. 7.1,и); с периметральным швом (рис. 7.1, /с); из трехшарнирных поясов (рис. 7.1,л); с гравитационными устоями (рис. 7.1,м).

Обычно арочно-гравитационные плотины считают разновидностью арочных плотин (что принято и ниже в гл. 7.4).

Арочная плотина представляет собой пространственную водоподпорную конструкцию в виде свода, передающего действующие на него нагрузки в основном на скальные берега ущелья.

Часто отдельно выделяют так называемые ячеистые плотины, имеющие полости, обычно заполненные грунтом (рис. 7.2, 7.3). Они могут быть как гравитационными (рис. 7.2, а, б), таки контрфорсными (рис. 7.2,в, 7.3), причем в ряде случаев их можно отнести к каждому из этих типов (рис. 7.2, в).

Бетонные и железобетонные плотины, отличающиеся по конструкции от массивных гравитационных (рис. 7.1,а) и имеющие меньший объем бетона, чем последние, часто называют облегченными (рис. 7.1,6-м, 7.2, 7.3).

По технологическому назначению плотины бывают глухие (рис. 7.1, а- д, ж, з) и водосбросные: с поверхностными (водосливными) отверстиями (рис. 7.1,6, е, 7.2, 7.3), с глубинными отверстиями (рис. 7.23,6) и двухъярусные (рис. 4.1, е).

Общая характеристика основных типов плотин. Рассматриваемые плотины возводят на различных основаниях- скальных, полускальных и нескальных, арочные же - только на скальных. При скальных основаниях обычно строят бетонные плотины, при нескальных - железобетонные. При нескальных основаниях их, как правило, устраивают водосбросными; глухие плотины здесь оказываются обычно неэкономичными, и глухую часть напорного фронта гидроузла перекрывают грунтовой плотиной.

Правильно запроектированные бетонные и железобетонные плотины всех типов являются сейсмостойкими, даже при высокой сейсмичности (но при отсутствии дифференциальных подвижек основания). Бетонные плотины успешно применяют в суровых климатических условиях и на многоводных реках; при достаточно широких створах они позволяют обойтись без туннелей при пропуске строительных расходов; их применяют при различных напорах (высотах), в том числе больших; объемы бетона могут достигать нескольких миллионов кубических метров.

Недостаток плотин данной группы - затраты на их возведение бетона и металла, которые обычно не являются материалами местными (требуют значительных транспортных расходов) и могут быть в определенных условиях дефицитными и относительно дорогими.

Для надежного проектирования и строительства рассматриваемых плотин крайне важно знать и правильно оценить геологические условия в месте строительства гидроузла; получить надежные геотехнические характеристики грунтов (особенно сдвиговые и де- формативные характеристики, в том числе для заполнителей трещин в скальных породах).

Большие успехи в развитии механики грунтов (в том числе механики скальных пород) и методов улучшения оснований за последнее время способствовали совершенствованию и надежному применению бетонных и железобетонных плотин, в том числе при больших напорах и на нескальных основаниях. Наиболее крупные и выдающиеся в инженерном отношении плотины на нескальных основаниях построены в СССР (на реках Свирь, Волга и др.)

Имеется два направления снижения стоимости бетонных плотин.

1. Упрощение конструкции (отказ от устройства в ней различных водоводов, отверстий или сведение их к минимуму; применение простой массивной гравитационной конструкции, уменьшающей количество опалубки и др.). Это дает возможность возводить их высокопроизводительными методами, широко применяя механизацию (послойная укладка невысоких длинных блоков бетона токтогульским методом , использование конвейеров и т. д.); не омоноличивать строительные швы (или омоноличивать не все швы); применять малоцементные укатываемые бетонные смеси ,

При строительстве гравитационной плотины Уиллоу Крик (США, 1982 г., А=66,5 м, объем бетона 306 тыс. м3) из укатываемой бетонной смеси расход цемента у верховой грани был 104 кг на 1 м3 бетона, а во внутренней зоне 47 кг/м3 с добавкой золы-уноса 19 кг/м3.

Укатка осуществлялась вибрационными катками слоями толщиной 25...30 ем за четыре прохода катка; стоимость укатываемого бетона была в 3,4 раза меньше стоимости обычного массивного бетона. Срок и стоимость строительства существенно сократились по сравнению с вариантом гидроузла с каменно-земляной плотиной. 2. Облегчение конструкции - уменьшение объема бетона путем применения контрфорсных и ячеистых конструкций, учета пространственное!» работы сооружения (арочные плотины, гравитационные плотины с замо- ноличенными межсекционными швами и др.), анкеровки (вовлечение в работу основания) и т. д.

В каждом конкретном случае следует проанализировать, какое из этих направлений наиболее рационально. При этом перспективно и может быть целесообразным сочетание этих направлений - разумное облегчение конструкции (не ведущее к существенным производственным усложнениям) и возведение ее высокопроизводительными индустриальными методами, разработанными или модифицированными применительно к данной конструкции. Например, конструкция облегченной (массивно-контрфорсной) Кировской плотины (Л=83 м) была принята такой (достаточно толстые контрфорсы и др.), чтобы ее можно было успешно возвести методом послойной укладки бетона.

При скальном основании облегченные гравитационные плотины (рис. 7.1,6-г) по сравнению с массивными гравитационными (рис. 7.1, а) имеют объем бетона меньше примерно на 8...15 % (редко более 15%). Заанке- ренные плотины при небольших высотах (до 20 или 30 м) могут дать и большую экономию бетона (плотина Олт-на-Лейридж, h=22,2 м-50%). Применение массивно-контрфорсных плотин позволяет получить экономию бетона До 25...40 % (рис. 7.1,е), плотин с плоскими напорными перекрытиями-25...45 % (рис. 7.1,6), многоарочных -30...60 % и более (рис. 7.1,ж). В благоприятных геологических и топографических условиях при относительно узких створах объем бетона арочных плотин (рис. 7.1, и м) сокращается на 50...80 % и более по сравнению с объемом бетона массивной гравитационной плотины в аналогичных условиях. Для арочно-гравитационных плотин это сокращение существенно меньше (порядка 20...30 %).

В стоимости процент экономии меньше (да на 5...10%, иногда больше) ввиду усложнений в производстве работ, некоторого повышения марок бетона и увеличения опалубочных работ при облегченных плотинах и др. Он зависит от многих местных условий - способа пропуска и значений строительных расходов, стоимости рабочей силы и материалов и др.

При нескальном основании существенную экономию бетона (до 20... 45%) по сравнению с массивной конструкцией (см. рис. 7.25) удается обычно получать лишь при загрузке полостей балластом, то есть при применении различных ячеистых конструкций с засыпанными полостями (рис. 7.2, 7.3). Это связано с тем, что при сплошной фундаментной плите (рис. 7.2,6), которая обычно требуется для облегченной плотины при нескальном основании (кроме конструкции А. М. Сенкова, рис. 7.2, а), фильтрационное давление не уменьшается по сравнению с массивной гравитационной плотиной (при облегченных плотинах на скале, приведенных на рис 7.1,6,в, и контрфорсных оно уменьшается), а значительное уполаживание напорной грани контрфорсной плотины, необходимое из условия обеспечения устойчивости плотины на сдвиг при отсутствии загрузки грунтом полостей между контрфорсами, почти всегда приводит к недостаточно конструктивному решению.

Массивные гравитационные плотины на скальном основании (рис. 7.1, а) получили большое распространение из-за своей простоты. Плотины с расширенными швами (рис. 7.1,6) в ряде случаев были успешно применены, но большого распространения не получили; плотины с продольной полостью (рис. 7.1, а) нашли применение лишь в единичных случаях. Это можно объяснить тем, что экономия бетона при таких типах облегченных плотин не очень велика, производство же работ по их строительству несколько усложняется. Плотины с экраном на напорной грани пока строят редко, но в последнее время на них было обращено внимание, причем был выполнен ряд интересных проработок и исследований применительно к Курпсайской плотине (был принят вариант этой плотины без экрана). В такой конструкции при надежной работе экрана можно допустить растягивающие напряжения на верховой грани (что дает более обжатый профиль) и понизить требования к марке бетона (снять требование водонепроницаемости, допустить образование трещин у верховой грани). Их применение сдерживают весьма высокие требования к качеству выполнения экрана (из нержавеющей стали или полимерных материалов) и сомнения в возможности надежного обеспечения этих требований, а также сложности ремонтных работ в случае нарушения целостности экрана.

Заанкеренные плотины (рис. 7.1, с?) применены в ряде случаев, причем выполнены они как гравитационные и как контрфорсные при высотах, обычно не превышающих 55...60 м (при больших высотах возникают трудности с созданием требующегося для получения надлежащего эффекта предварительного натяжения анкеров), на хороших скальных основаниях, позволивших осуществить надежную анке- ровку.

Анкеровку использовали и при надстройке плотин . Большого распространения такие плотины не получили, в основном из-за некоторой сложности выполнения данной конструкции, затруднений размещения различных водопропускных отверстий в плотине при наличии анкеров, достаточно высоких требований к основанию и к качеству выполнения анке- ровки.

Из различных типов контрфорсных плотин, особенно за последние 30... 40 лет, наибольшее распространение получили массивно-контрфорсные (рис. 7.1, е), имеющие достаточно толстые элементы и небольшое армирование (5...15 кг стали на 1 м3 бетона и менее), что дает возможность строить их индустриальными методами и применять в суровых климатических условиях. Многоарочные плотины используют значительно реже, что объясняется сложностью их возведения и большим армированием (30... 50 кг стали и более на 1 м3 бетона). Плотины с плоскими напорными перекрытиями в настоящее время строят очень редко. Из относительно новых плотин данного вида можно упомянуть лишь плотины Мада в Малайзии, построенную в 1970 г., и Кордова в США (h = 27,4 м, пролеты между осями контрфорсов 12,5м). Это связано с тем, что конструкции таких плотин получаются относительно тонкостенными (что не всегда приемлемо по условиям современного производства работ), а перекрывать значительные пролеты плитами обычно нецелесообразно. К тому же требуется довольно значительное армирование конструкции (20...40 кг стали на 1 м3 бетона и более). Относительная тонкостенность элементов иногда может быть нежелательной и из условия долговечности.

Значительно большее распространение массивно-контрфорсных плотин по сравнению с близкими к ним гравитационными с расширенными швами, вполне закономерно, так как они дают большую экономию бетона (см. выше) без существенного дополнительного усложнения конструкции. Контрфорсные плотины, кроме того, позволяют получить большие (по модулю) вертикальные сжимающие напряжения а» в основании у напорной грани (рис. 7.4,а, б) и этим исключить раскрытие контактного шва в основании в зоне цементационной завесы. При контрфорсных плотинах можно при необходимости получить достаточно равномерную эпюру напряжений в основании, что относится к их достоинствам и осуществлено в ряде плотин, особенно на относительно низкомодульных основаниях. Это может быть достигнуто устройством более пологой низовой грани в нижней части контрфорса (прилив А на рис. 7.4, в), а при необходимости дополнительного уменыде- ния напряжений и устройством полной или частичной фундаментной плиты (плотины -Андижанская - см. рис. 7.44, Бен Метир ).

В теле контрфорсных плотин напряжения распределяются более равномерно, чем в массивных гравитационных.

Указанный недостаток массивных гравитационных плотин (малое оу в контактном шве) можно устранить или уменьшить применением анкеровки (рис. 7.1, д, 7.4, г), устройством продольной полости (рис. 7.1, в), применением соответствующей разрезки плотины временным, замоноличиваемым перед наполнением водохранилища швом (рис. 7.4, д), а также использованием «активного шва» с плоскими домкратами (рис. 7.4, е). Последнее эффективное мероприятие применено на практике лишь для контрфорсных плотин; оно вовлекает в работу основание и позволяет уменьшить объем бетона при благоприятном распределении напряжений в основании. Активные швы с плоскими домкратами просты и оправдали себя на практике .

Принципиально иным решением, учитывающим возможность раскрытия контактного шва в гравитационной плотине в случае малых расчетных значений оу, которые в действительности могут оказаться и растягивающими (особенно при обжатом профиле), является устройство короткого понура с цементационной завесой под ним, несколько вынесенной в ВБ за зону возможного возникновения растягивающих напряжений (см. рис. 7.1, г). При таком решении весьма ответственны уплотнения в шве между коротким понуром (или массивом над завесой) и телом плотины, ремонт которых затруднителен. Это решение можно считать необходимым, когда на верховой грани плотины допускаются растягивающие напряжения. Оно разрешается СНиП II-54-77 лишь при наличии гидроизоляции верховой грани (см. рис. 7.1, г). Его следует рассматривать при неблагоприятном разномодульном основании, когда под низовой частью плотины оно имеет более низкий модуль деформации, чем под верховой.

Арочные плотины получили значительное распространение в горных районах во многих странах мира и хо

рошо зарекомендовали себя в эксплуатации . Они обычно экономичны, хорошо вписываются в окружающий ландшафт, красивы, надежно работают в условиях высокой сейсмичности и при перегрузках. Так, плотина Пакои- ма высотой 116 м (Калифорния, США) без повреждений перенесла очень сильное землетрясение с максимальным горизонтальным ускорением 1,25g и вертикальным до 0,75g, а итальянская тонкая плотина Вайонт высотой 266 м и толщиной понизу 23 м уцелела, получив очень небольшие повреждения, когда через нее в 1963 г. перехлестнула волна высотой около 70 м, вызванная огромным оползнем в водохранилище, в которое за 5...7 мин обрушилось около 300 млн. м3 скальных пород.

Наиболее распространены арочные плотины с защемленными пятами (рис. 7.1, и), а также с периметральным (контурным) швом (рис. 7.1,с); нередко строят и плотины с устоями (рис. 7.1, м). Более сложные в строительстве плотины, расчлененные швами на отдельные арки (в том числе и из трехшарнирных поясов - рис. 7.1,л), работающие в основном как плоские системы, возводят лишь в единичных случаях при небольших высотах.

В последнее время получили распространение арочные плотины купольного типа, то есть со значительно искривленными вертикальными сечениями (так называемыми консолями). В таких плотинах обычно удается получить наиболее благоприятное распределение напряжений.

Арочно-гравитационные плотины применяют в настоящее время преимущественно при больших напорах, в достаточно широких створах и при расположении в теле плотины водопропускных отверстий - водосбросов, трубопроводов гидростанции (плотины Саяно-Шушенская, Глен Каньон).

Бетонные и железобетонные плотины, как правило, строят из монолитного бетона. Лишь в единичных случаях и при сравнительно небольших высотах такие плотины выполняли полностью из сборных элементов (многоарочная плотина Мефруш в Алжире высотой 25 м, экспериментальная ячеистая плотина на р. Степной Зай в СССР и некоторые другие). Это в основном связано с тем, что такие плотины не являются массовыми типовыми сооружениями и сборные нетиповые конструкции в большинстве случаев неэффективны даже при малых и умеренных высотах сооружений.

При небольших напорах (5...7 м) в ряде случаев были применены сборномонолитные ячеистые конструкции, состоящие из блоков в виде спаренных железобетонных плит, омоноличи- ваемых бетоном (рис. 7.2,6). Четыре плотины такого типа построены по проектам Гипросельэлектро (Красноярская на р. Медведица, Перевозская, Лыковская и Шильская) . Плотина подобного типа сооружена в Ираке (проект Союзгипроводхоза).

Отдельные сборные элементы, облегчающие производство работ (пазовые конструкции, парапеты, плиты железобетонной постоянной опалубки контрфорсных плотин, постоянная железобетонная опалубка смотровых галерей и др.), используют при строительстве бетонных и железобетонных плотин.

Гравитационные, контрфорсные и арочные плотины можно выполнять не только из бетона, но и из каменной кладки на растворе . В настоящее время плотины из каменной кладки практически вытеснены бетонными, имеющими существенные производственные преимущества (возможность широкой механизации, высокие темпы работ и др.). Лишь в Индии иногда еще строят гравитационные плотины из каменной кладки. В 1969 г. там было закончено строительство каменной плотины Нагарджанасагар высотой 124,7 м - самой высокой в мире плотины такого типа .

Плотина была первым гидротехническим сооружением, которое научился строить древний человек. Плотины древности, конечно, не могли похвастаться высотой и изяществом, а возводились из подручных материалов. Функция такой плотины сводилась к удержанию воды, чтобы позже использовать её для орошения или в качестве питьевой воды.

ВНИМАНИЕ!

Данная статья находится на переработке! Благодарим за понимание!

Современная плотина представляет собой сложное гидротехническое сооружение, предназначенное для удержания необходимого объема воды в заданных пределах. Самое распространенное применение плотины – перегораживание русла реки для создания напора и водохранилища гидроэлектростанции. Помимо выработки электроэнергии на ГЭС подъем уровня воды в реке создает благоприятные условия для лесосплава, судоходства, орошения и водоснабжения. В то же время при создании водохранилища затопляются существенная площадь зачастую плодородных земель, затрудняется естественная миграция рыбы, изменяется климат вблизи водохранилища.

Плотины подразделяются по нескольким критериям:
По роли в составе гидроузла:

• глухие;
• водосливные;
• станционные;

По величине напора:

• низконапорные;
• средненапорные;
• высоконапорные;

По используемому материалу:

• бетонные (железобетонные);
• грунтовые;
• деревянные;

По конструктивному признаку:

• гравитационные;
• контрфорсные;
• арочные;

Плотину называют глухой, если её конструкцией не предусмотрены водосбросные устройства. Водосливная плотина , как понятно из названия, оборудована одним из видов водосбросных устройств и предназначена для пропуска избыточного объема воды в нижний бьеф. Станционная плотина оборудуется водоподводящими устройствами.

Разделение плотин по напору, также как и в случае с гидроэлектростанциями, носит условный характер. Вот наиболее распространенные значения:

• низконапорные плотины – до 20 м;
• средненапорные плотины – от 20 до 80 м;
• высоконапорные плотинные – от 80 до 200 м;

Бок о бок с критерием напора идет используемый материал плотины. Высоконапорные плотины возводятся из бетона или железобетона, в диапазоне средних напоров можно использовать для строительства грунтовые материалы, а низконапорные плотины допустимо возводить из дерева.

В свою очередь с материалом, из которого строится плотина тесно связан её конструктивный признак. Грунтовые плотины и деревянные плотины могут быть только гравитационными. Это значит устойчивость плотины, то есть способность устоять под давлением воды из водохранилища, определяется только лишь её весом. Гравитационные плотины можно возводить на любых основаниях.
Железобетонные и бетонные плотины могут быть гравитационными, арочными и контрфорсными.

Арочная плотина обеспечивает устойчивость в водохранилище за счет передачи давления воды с фронта плотины на берега или береговые устои. Позволяет это сделать её необычная конструкция - дуга выпуклая в сторону верхнего бьефа, сверху напоминающая арку (отсюда и название). Но из-за этой же особенности возводить её можно только на скальном основании.

Контрфорсная плотина представляет собой бетонные перекрытия либо своды (арки), опирающиеся на контрфорсы. При этом напорное перекрытие, в виде плит или сводов, стоит не вертикально, а под определенным углом к верхнему бьефу. Такая конструкция обеспечивает устойчивость не только за счет веса плотины, но и за счет давления воды на её наклонную поверхность. Строительство контрфорсной плотины возможно только на скальном основании.