Основы гидроэнергетики. Арочные плотины. Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях Плотина из чего состоит

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 .

Человек не просто дитя природы. Он старается изменить окружающую среду вокруг себя, сделать ее более комфортной для проживания. Этим он отличается от животных. С давних пор люди старались обуздать стихии, чтобы не зависеть от капризов природы и погоды. Так, они научились возводить плотины, чтобы вода для полива полей и водопоя животных была всегда. Это инженерное устройство помогает людям сохранять и рационально использовать как водные, так и земельные ресурсы, а также предотвращает разрушительные наводнения.

Что такое плотина?

Плотина - это преграда, сдерживающая или контролирующая водный поток. Благодаря им создаются искусственные водохранилища, в которых происходит накопление живительной жидкости, а затем ее расход по необходимости.

Помимо накопительных функций, плотина на реке может приносить и еще большую пользу, когда мощь водного потока приводит в действие электростанции, снабжающие города и населенные пункты электроэнергией. Люди за многие годы научились не только контролировать реки, но и вынуждать их работать на благо страны.

Сложное сооружение

Плотина - это сооружение гидротехническое, с различными функциями. При возведении каждого нового сооружения проводится предварительная работа, в результате которой производится экономическое обоснование, рассчитываются технические возможности будущего сооружения. Строительство плотины - сложный и трудозатратный процесс, который требует высокой квалификации рабочих как на этапе проектирования, так и при ее возведении и дальнейшей эксплуатации.

Виды плотин

Плотина - это сооружение, которое не возводится по единому образцу. Для каждого конкретного объекта требуются свои параметры и расчеты. Существует несколько видов плотин.

Сплошные железобетонные обладают практически неограниченным запасом прочности. Этот материал способен сдерживать мощнейшие потоки воды. Их еще называют гравитационными, потому что они удерживаются на поверхности земли за счет силы тяжести, прочно фиксирующей железобетон на месте. Эти плотины весьма дороги ведь они целиком состоят из указанного материала. Поэтому их возводят только на самых мощных реках и эксплуатируют очень длительное время.

Плотины из пустотелого железобетона намного дешевле сплошных. Их внутренности усиливают стальной арматурой различного сечения, чтобы повысить запас прочности.

Земляные сооружают из почвы, камней, песка, чтобы сдержать поток воды. Зачастую их возводят в местах разливов рек как временные преграды вокруг населенных пунктов.

Еще одна разновидность плотин - это дамбы и насыпи, которые должны предотвратить наводнения в случае повышения уровня воды в реках. Высота плотины зависит от ее технических характеристик. Земляные редко насыпают выше 15 метров, а вот железобетонные могут быть практически любой высоты, которой требует проект.

Исторические факты

Плотины - это сооружения, которые возводили с давних времен. Самой древней из известных более 4 500 лет, и она была обнаружена в Египте.

А вот одно из самых крупных в мире гидротехнических сооружений - плотина Гувера на реке Колорадо - было построено еще в 1930 г. в США и эксплуатируется до сих пор. Его длина - 379 м при высоте 221 м. Рабочие плотины утверждают, что слой железобетона здесь настолько мощный, что в центральной части он до сих пор, спустя почти 90 лет, еще не застыл. Благодаря этому сооружению возникло самое большое искусственное озеро в мире - Лейк Мид, которое снабжает водой несколько засушливых штатов.

Плотина - это сооружение мирное. Но в истории бывали случаи, когда подобные объекты использовались в военных целях. Нередко захватчики при осаде города перекрывали русло реки земляной плотиной, изменяя направление водного потока. Осажденные жители, истомившись от жажды, открывали ворота. Бывали и противоположные ситуации, когда с помощью плотины затапливали непокорный городишко. Немало таких сооружений было взорвано во время Второй мировой, чтобы фашисты не могли пройти вглубь страны.

Кстати, по одной из версий историков, не найденная могила Чингисхана также покоится на дне реки, поэтому ее поиски так затянулись. Возведение дамб - прием, который часто применял этот могущественный завоеватель.

Современные плотины выполняют зачастую сразу три функции - защищают от паводков, позволяют накапливать запасы воды и помогают производить электричество.

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.

По назначению плотины бывают водохранилищные, водоопускающие и водоподъёмные. Подпор уровня воды у водоподъёмных плотин невысок, целью устройства таких плотин является улучшение условий водозабора из реки, использования водной энергии и пр. Водохранилищные плотины отличаются заметно большей высотой, как следствие, большим объёмом создаваемого водохранилища. Отличительной особенностью больших водохранилищных плотин является способность регулировать сток, малые плотины, с помощью которых создают, например, пруды, сток не регулируют. Чаще всего подобное функциональное разделение плотин на водохранилищные и водоподъёмные является условным, в силу трудности определения более важной функции. Вместо этого может использоваться деление плотин по высоте подъёма воды: низконапорные (глубина воды перед плотиной до 15 м), средненапорные (15-50 м), высоконапорные (более 50 м).

Поперек рек и речек плотины устраиваются с целью поднять уровень воды и образовать искусственный водопад , которым пользуются как механическою силою или же чтобы сделать мелкие реки судоходными и распространить судоходство и сплав далее вверх по течению реки.

Ручьи, балки, овраги и ложбины заграждаются плотинами для задержания в них дождевых и снеговых вод, образующих пруды и резервуары, запасами которых пользуются в сухое время года для орошения полей, для водопоя и других потребностей в домашнем хозяйстве или же для водоснабжения населенных мест, для питания судоходных каналов, а также для пропусков воды в реки при недостаточной глубине их для судоходства (реки Мста , Верхняя Волга и другие).

Плотины вдоль рек возводятся для направления течения соответственно потребностям судоходства, а по берегам рек, озёр и морей - для предохранения от наводнений и для предупреждения вторжения морских вод внутрь страны.

Классификация плотин

Тип и конструкция плотины определяются её размерами, назначением, а также природными условиями и видом основного строительного материала. Плотины различаются по типу основного материала, из которого они возводятся, по назначению и по условиям пропуска воды.

По типу материала

По типу основного материала различают плотины:

По способу возведения

• насыпные
• намывные
• направленного взрыва

По способу восприятия основных нагрузок

• гравитационные
• арочные
• контрфорсные
• арочно-гравитационные

По условиям пропуска расхода воды

• глухие (не допускают перелива воды через гребень)
• водосбросные
• фильтрующие (пропуск воды осуществляется через тело плотины)
• переливные (катастрофического действия)
• разборные

История

Искусство возведения плотин известно уже с глубокой древности. О водоподъёмных плотинах упоминает Геродот . Абу-л-Фида сообщает о плотине, построенной персами для отвода воды от города Тостара . Аббас I Великий соорудил близ Кашана каменную плотину длиной 36 метров, высотой 16 м и толщиной 10 м, снабженную у подошвы каналом для пропуска воды. Наконец, в древние времена строились также весьма большие плотины для ограждения местностей от наводнений, например, арабами во II столетии н. э. Подобные же работы, по рассказу Абу-л-Фиды, предприняты были Александром Македонским для предупреждения разлива озера Кадис близ сирийского города Эмесы .

Самая древняя из известных плотин датирована 3000 годом до нашей эры. Располагалась она в ста километрах от Аммана ; это была каменная стена 4,5 метра в высоту и 1 метр в толщину . В 2800 /2600 году до нашей эры в 25 километрах от Каира была возведена плотина протяжённостью 102 метра; она была вскоре разрушена ливнем . В середине III века была построена целая система рядом с индийским городом Дхолавира . Римляне строили весьма разнообразные плотины, в первую очередь - для получения водохранилищ на засушливые периоды ; самая высокая римская плотина достигала 50 метров в высоту и была разрушена лишь в 1305 году .

С 1998 года в десятках стран мира ежегодно 14 марта по инициативе организации «Международная сеть рек» отмечается «Международный день действий против плотин » (иначе: «День действий в защиту рек, воды и жизни ») . Активистам движения против плотин уже удалось добиться реальных результатов: в Соединённых Штатах были демонтированы две шестидесятиметровые плотины, а в Швеции принят закон, который запрещает строить плотины более пятнадцати метров в высоту .

Гравитационные плотины

Давление от масс воды гравитационные плотины воспринимают своей массой. Сопротивление сдвигу происходит за счёт сил трения или сцепления подошвы плотины по основанию. Вследствие этого такие плотины имеют массивный характер, чаще близкое к трапецеидальному сечение в поперечнике.

Арочные плотины

Арочные плотины давление от масс воды передают на берега ущелья (реже - на искусственные устои). В силу этого такие плотины чаще возводятся в горной местности, где берега сложены прочными породами. Часть нагрузок арочная конструкция передаёт на основание. При этом, чем шире арка, тем больше давление на основание. Это требует увеличение ширины плотины в нижней части, и приводит к появлению арочно-гравитационных плотин. Арочные плотины с контрфорсами в нижней части арки называют арочно-контрфорсными. В них работа арки ограничивается верхней частью, что позволяет применять арочные плотины в более широком диапазоне мест расположения.

Арочно-гравитационные плотины

Арочно-гравитационные плотины совмещают в себе свойства арочных и гравитационных плотин.

Контрфорсные плотины

Как и арочные плотины позволяют уменьшить массу тела плотины, её размеры за счёт более эффективной расчётной схемы. Стена в контрфорсной плотине более тонкая, чем в гравитационной благодаря её усилению с низовой стороны подпорными конструкциями (стенами).

Грунтовые плотины

Грунтовые, или земляная плотина строится из грунтовых материалов, в том числе песчаных, суглинистых, глинистых, как правило, без перелива воды через неё. Обычно форма поперечного сечения приближается к трапецеидальной . Грунтовые плотины просты по конструкции, строительство их возможно в очень широком диапазоне геологических условий. Учитывая это, а также использование при возведение плотины местных строительных материалов, почти полную механизацию труда и сокращение трудозатрат, грунтовые плотины можно считать самым распространённым типом водоподпорного сооружения. Грунтовые плотины относятся к гравитационным плотинам .

Грунтовые плотины были в числе самых первых плотин в истории человечества. С давних пор такие плотины строились и в России. Известна Змеиногорская плотина XVIII века, построенная выдающимся русским инженером Козьмой Фроловым .

Современные грунтовые плотины достигают весьма больших размеров, к примеру, Нурекская плотина достигает высоты трёхсот метров, а плотина Тарбела объёма 130 миллионов кубических метров. География плотин чрезвычайно широка: Вилюйская , Усть-Хантайская , Колымская плотины возведены в условиях вечной мерзлоты, в Средней Азии строится самая высокая в мире Рогунская плотина, существуют плотины на Кавказе - Сарсангская , Мингячевирская , известны плотины на Дальнем Востоке, Карпатах, Крыму.

Классификация грунтовых плотин

Грунтовые плотины классифицируются по материалу тела плотины, по конструкции, методу производства работ, высоте, типу противофильтрационных устройств в основании.

Низкими считаются плотины высотой до 25 метров, средними в диапазоне 25-75 метров, выше 75 метров - высокие плотины. Особо высокие плотины (более 150 м) относятся к «сверхвысоким».

Материал	Тип конструкции плотин
	Однородная	С центральным ядром	с экраном	с диафрагмой
Земляная
	Способ возведения: отсыпка грунта с послойным уплотнением; намыв; наброска взрывом	Способ возведения: намыв; отсыпка	Способ возведения: намыв; отсыпка	Способ возведения: намыв; отсыпка
Каменно-земляная
		Способ возведения: отсыпка; наброска; намыв	Способ возведения: отсыпка; наброска
Каменная
	Способ возведения: наброска взрывом; отсыпка		Способ возведения:	Способ возведения: отсыпка; наброска; наброска взрывом

Расчёты грунтовых плотин

При проектирование современных грунтовых плотин проводятся расчёты с учётом напряжённо-деформированного состояния при статических и динамических воздействиях. При проведении расчётов используются компьютеры , а инженеру-проектировщику требуются знания теории упругости и пластичности , ползучести , численных методов . Работа грунта моделируется с учётом наиболее важных его свойств, и применение методов механики сплошных сред позволяет получить весьма близкие к реальности результаты расчётов. Современное проектирование грунтовых плотин учитывает иногда и реологию грунтов .

При проектировании плотин следует провести несколько групп расчётов, среди которых:

• расчёты фильтрации в теле плотины;
• расчёты основания плотины;
• расчёты тела плотины;
• расчёты, связанные с сейсмостойкостью;
• расчёты устойчивости откосов плотины;
• расчёты сопряжения плотины с основанием.

Расчёты фильтрации в теле плотины необходимы для проведения прочих расчётов, например, устойчивости откосов. Фильтрационный поток через плотину влияет на работу плотины в целом. Параметры фильтрационного потока определяют конструкцию как плотины, так и сопутствующих устройств. В ходе расчёта фильтрации определяются скорости движущейся грунтовой воды, фильтрационные расходы через тело плотины, строится гидродинамическая сетка движения фильтрационного потока и депрессионная поверхность (верхняя граница фильтрационного потока в теле плотины).

При расчётах основания определяются осадки основания, несущая способность грунта, прогнозируется уплотнение (консолидация) основания.

Расчёты тела плотины определяют его осадки, проверяются прочность грунтовых материалов, даётся оценка трещинообразования.

Конструкции грунтовых плотин

Конструкция плотины во многом определяется свойствами местных грунтов, имеющихся вблизи створа. Также на конструирование влияют инженерно-геологическая ситуация места строительства, гидрологические характеристики реки и стока, климатические условия, сейсмичность района, наличие парка необходимых строительных машин.

В ходе конструирования решаются следующие задачи:

• назначаются габаритные размеры сооружения (высота плотины, заложение откосов, ширина гребня, размеры берм);
• выбирается тип укрепления откосов и гребня;
• определяются противофильтрационные устройства в теле плотины;
• разрабатываются дренажные устройства;
• конструируется подземный контур плотины;
• назначается тип сопряжения плотины с основанием и берегами.

Разрушения плотин и обеспечение безопасности

Ущерб от разрушения плотины может быть чрезвычайно большим. Обусловлено это тем, что разрушение непосредственно конструкции плотины является, зачастую, лишь небольшой частью общего ущерба, в который включаются потери от разрушения сопутствующих сооружений (поскольку плотина почти всегда является лишь частью гидроузла), потери предприятий, производство на которых может быть парализовано в результате прекращения поступления от ГЭС, потери от разрушений, произведённых катастрофическим водосбросом в нижнем бьефе плотины.

Крупные катастрофы на плотинах

Список некоторых крупных катастроф, произошедших на плотинах .

Дата	Плотина	Место	Число погибших	Фото
12 марта 1928 года	Плотина Сент-Френсис	Каньон Сан-Францискито , Береговые хребты , США	около 600 человек	Плотина до катастрофы.	Кусок бетона из конструкции на расстоянии полмили от прорвавшейся плотины (высота куска примерно 3 метра). Вдали видна сама плотина.
18 августа 1941 года, осень 1943 года	Днепрогэс	Запорожье , СССР	От 20 до 100 тыс. человек. Немецкое командование оценивало свои потери в живой силе в 1500 человек. . Эти числа не подкрепляются никакими документами.	Днепрогэс летом 1942 года.	Разрушения после взрыва ГЭС в 1943 году.
2 декабря 1959 года	Плотина Мальпассе	Лазурный Берег , Франция	423 человека		Остатки плотины.
9 октября 1963 года	Плотина Вайонт	Монте Ток , Беллуно , Италия	2500 человек	Конструкция плотины.	Город Лонгароне после прохождения катастрофической волны.
7 августа 1975 года	Плотина Байньцяо	Чжумадянь , Китай	171 тыс. человек		Внешние изображения [?url=http://img-fotki.yandex.ru/get/5816/86906606.18/0_69ee9_85d10ad5_L Плотина после разрушения.] (Арх. ист. 2012-04-30)

Обеспечение безопасности

В Российской Федерации безопасность гидротехнических сооружений регулируется Федеральным Законом «О безопасности гидротехнических сооружений», принятым Государственной Думой 23 июня 1997 года. Плотины должны проектироваться в соответствии с действующими нормативными документами: строительными нормами и правилами (СНиПами), Государственными стандартами (ГОСТами), ведомственными нормативными документами (РД).

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. Установка аппаратуры в сооружении должна предусматриваться ещё на стадии проектных работ и обеспечивать, в зависимости от класса сооружения, наблюдения за осадками, горизонтальными смещениями, параметрами фильтрационного потока в теле плотины, температурой, напряжённо-деформированным состоянием и прочим.

Помимо аппаратного мониторинга на всех плотинах следует выполнять натурные визуальные и

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.