Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях. Основы гидроэнергетики. Типы плотин Крупные катастрофы на плотинах

В публикациях на тему гидротехники и гидроэнергетики зачастую встречается масса терминов, совершенно понятных специалистам, но не очень — всем остальным. В связи с этим, мы начинаем цикл публикаций, посвященных основам гидротехники и гидроэнергетики. В них мы расскажем о том, какие бывают плотины и турбины, зачем ГЭС затворы и элегазовые выключатели — и о многом другом. Сегодня я расскажу о том, какие существуют типы плотин; в дальнейшем, на каждом из типов мы остановимся поподробнее.

Арочная плотина Рузвельта

Все плотины можно грубо разделить на две группы: грунтовые и бетонные (различную экзотику, вроде металлических, тканевых или деревянных плотин мы можем проигнорировать как в современной гидроэнергетике практически не используемую).

Грунтовые плотины

Как следует из их названия, грунтовые плотины строятся из грунтовых материалов — песка, суглинка, камня. Все они гравитационные, т.е. их устойчивость обеспечивается за счет их веса. Плюсами грунтовых плотин является простота и технологичность их создания, использование легкодоступных местных материалов, высокая сейсмоустойчивость. Минусами — необходимость специальных мер по борьбе с фильтрацией, более сложные и дорогие водосбросные сооружения, неустойчивость при переливе воды через гребень.
Грунтовые плотины разделяются в зависимости от используемого при их создании материала — на земляные, каменные и каменно-земляные. Грунтовые плотины получили самое широкое распространение, особенно на равнинных гидроузлах, где они входят в состав напорного фронта в 99% случаев.

Схема плотины Нурекской ГЭС

Бетонные плотины

Бетонные плотины делятся на три большие группы — гравитационные, контрфорсные и арочные.

Гравитационные плотины сохраняют устойчивость за счет своего веса. Они просты, надежны, технологичны, легко совмещаются с водосбросными сооружениями и зданиями ГЭС, в связи с чем получили очень широкое распространение. От низконапорных водосбросных плотин русловых гидроузлов до высотных плотин в горах — везде можно увидеть этот тип плотин. Основной недостаток — такая плотина требует много бетона.

Гравитационная бетонная плотина Красноярской ГЭС

Контрфорсные плотины работают главным образом не за счет веса, а за счет передачи усилий на основание с помощью специальных подпорных стенок — контрфорсов. Такая конструкция плотины требует значительно меньше бетона, но существенно сложнее в строительстве.

Типы контрфорсных плотин.

Арочные плотины передают давление воды в берега. Бетон в них работает на сжатие, а в этом случае его прочность очень велика. Поэтому, арочные плотины могут быть очень тонкими и экономичными. Минусами арочных плотин является невозможность их строительства в широких створах, а также наличие особых требований к качеству и конфигурации склонов.

Арочная плотина Ингурской ГЭС

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 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.

Многообразно: подъем уровня воды и увеличение глубин в верхнем бьефе благоприятствуют судоходству, лесосплаву, а также водозабору для нужд орошения и водоснабжения; сосредоточение напора у П. создает возможность энергетического использования стока реки; наличие водохранилища позволяет регулировать сток, т. . увеличивать расход воды в реке в меженные периоды и уменьшать максимальный расход в паводок , способный привести к разрушительным наводнениям. П. и водохранилище существенно воздействуют на реку и прилегающие территории: изменяются режим стока реки, температура воды, продолжительность ледостава; затрудняется миграция рыбы ; берега реки в верхнем бьефе затопляются; меняется микроклимат прибрежных территорий. П. обычно является основным сооружением гидроузла. Плотиностроение возникло так же давно, как и гидротехника , в связи со значительным развитием искусственного орошения территорий у земледельческих народов Египта, Индии , Китая и др. стран. Возведение П. потребовалось для строительства гидросиловых установок, а затем и сооружения гидроэлектростанций. Энергетическое использование водных ресурсов явилось основным стимулом увеличения размеров и совершенствования конструкций П., появления гидроузлов на многоводных реках. На территории СССР водяные мельницы с П. строились еще во времена Киевской Руси. В 17-19 вв. горнодобывающая, металлургическая, текстильная, бумажная и др. отрасли промышленности на Урале, Алтае, в Карелии и центральных областях России использовали в основном механическую энергию гидросиловых установок; их П. были незначительны по размерам и сооружались из местных материалов. Мощные гидроэлектростанции с бетонными и земляными П. больших размеров начали строить лишь при Советской власти, после принятия плана ГОЭЛРО . В 1926 была построена первая бетонная водосливная П. Волховской ГЭС . В 1932 сооружена высокая бетонная П. Днепровской ГЭС (ее наибольшая высота около 55 м). Водосливная П. Нижнесвирской ГЭС - первая П., построенная на слабых глинистых грунтах. В 50-70-х гг. на многоводных реках были сооружены: намывные земляные П. на Волге у Куйбышева и Волгограда, бетонные П. Братской ГЭС на Ангаре (высота 128 м) и Красноярской ГЭС на Енисее (124 м) (рис. 1), высокая 300-метровая каменно-земляная П. Нурекской ГЭС на р. Вахш , арочная П. Саянской ГЭС на Енисее (высота 242 , длина по гребню 1070 м; находится в стадии сооружения, 1975) и многие др. Проектирование и строительство П. в СССР отличаются высоким техническим уровнем, позволившим советскому плотиностроению занять одно из ведущих мест в мире. Из П., сооруженных за рубежом, следует отметить: многоарочную П. Бартлетт, высота 87 м (США, 1939), каменную П. Парадела, высота 112 м (Португалия, 1958), земляную П. Сер-Понсон, высота 122 м (Франция, 1960), каменно-земляную П. Миборо, высота 131 м (Япония, 1961), гравитационную бетонную П. Гранд-Диксанс, высота 284 м (Швейцария, 1961). Тип и конструкция П. определяются ее размерами, назначением, а также природными условиями и видом основного строительного материала. По назначению различают П. водохранилищные и П. водоподъемные (предназначенные лишь для повышения уровня верхнего бьефа). По величине напора П. условно подразделяют на низконапорные (с напором до 10 м), средненапорные (от 10 до 40 м) и высоконапорные (более 40 м). В зависимости от роли, выполняемой в составе гидроузла, П. может быть: глухой, если служит лишь преградой для течения воды; водосливной, когда предназначена для сброса избыточных расходов воды и оборудована поверхностными водосливными отверстиями (открытыми или с затворами) или глубинными водоспусками; станционной, если имеет водозаборные отверстия (с соответствующим оборудованием) и водоводы, питающие турбины ГЭС. По основному материалу, из которого возводят П., различают земляные плотины, каменные плотины, бетонные плотины, деревянные плотины. Земляная П. возводится полностью или частично из малопроницаемого грунта. Уложенный по верховому откосу П., малопроницаемый грунт образует экран; при расположении такого грунта внутри тела П. создается ядро . Наличие экрана или ядра обеспечивает возможность возведения остальной части П. из проницаемого грунта или из каменных материалов (каменно-земляная П.). У подошвы низового откоса земляной П. для отвода воды, профильтровавшейся через тело и основание П., устраивают дренаж . Верховой откос П. защищают от воздействия волн бетонными плитами или каменной наброской. При возведении земляной насыпной П. грунт добывают в карьере экскаваторами, транспортируют к месту сооружения самосвалами, укладывают в тело П., разравнивают бульдозерами и уплотняют послойно катками. Возведение намывной П. включает разработку грунта землесосами или гидромониторами, транспортировку пульпы по трубам и распределение ее по поверхности возводимой П., после чего вода уходит, а оседающий грунт самоуплотняется. Для подготовки основания и возведения земляной П. в русле реки ее котлован ограждается перемычками, а река отводится по заранее проложенным временным водоводам, закрываемым после возведения П. В каменной (набросной) П. экран или центральный водонепроницаемый элемент (диафрагму) выполняют из железобетона, асфальта, дерева, металла, полимерных материалов. Требование малой водопроницаемости распространяется и на основание П. Если грунт основания проницаем на большую глубину, его покрывают перед П. понуром (например, из глины), образующим с экраном одно целое. П. с ядром дополняется устройством в основании стальной шпунтовой стенки или противофильтрационной завесы. Камень в каменнонабросную и каменно-земляную П. отсыпается слоями большой высоты. Бетонные П. обычно классифицируют по конструктивному признаку в зависимости от условий работы на сдвиг ; соответственно этому различают 3 основных типа П. (рис. 2) - гравитационные плотины, арочные плотины, контрфорсные плотины. Осн. материалом для современных бетонных П. (преимущественно гравитационных) служит гидротехнический бетон . Один из важнейших вопросов при возведении бетонных П. - снижение фильтрации воды в основании. С этой целью в основании высокой бетонной П. вблизи верховой грани устраивается противофильтрационная завеса. На остальном участке основание дренируется для уменьшения давления воды на подошву П., что повышает устойчивость сооружения. Гравитационная и контрфорсная П., во избежание образования трещин вследствие температурных колебаний, разрезаются по длине на короткие секции, швы между которыми перекрываются водонепроницаемыми уплотнениями (см. Гидроизоляция). Для предотвращения появления трещин в результате усадки бетона при твердении и снижения температурных напряжений П. бетонируют отдельными блоками ограниченных размеров, применяют искусственное охлаждение составляющих бетонной смеси и уложенного в блоки бетона посредством циркуляции охлаждающей жидкости (от холодильной установки) по системе труб, проложенных в теле П. Бетонная П. в русле реки обычно сооружается в 2 очереди под защитой ограждающих котлованы перемычек. При возведении первой очереди П. река течет по свободной части русла; при второй - через оставленные в П. отверстия (прораны), которые закрывают по окончании всех строительных работ. Если русло реки узкое, бетонная П. строится в один прием, с временным отводом реки в береговые водоводы. Распространенная в практике гидротехнического строительства низконапорная бетонная водосливная плотина, возводимая на нескальном основании и предназначенная для пропуска больших расходов воды, имеет конструкцию, показанную на рис. 3. Основу ее составляют водосливные пролеты, образованные бетонным флютбетом и быками и перекрываемые гидротехническими затворами. За водосливами устраивается массивное крепление русла - водобой (иногда заглубленное в виде водобойного колодца), далее располагается более легкое крепление - рисберма. Под водобоем устраивается дренаж. С берегами или земляными П. водосливная П. сопрягается массивными устоями. Низконапорная бетонная водосливная П. обычно строится с применением армирования, часто всего сооружения (см. Железобетонная плотина). уровень верхнего бьефа, а суда и плоты идут через шлюз . В многоводный период затворы и мосты убирают, фермы контрфорсов укладывают на флютбет, открывая судам и плотам путь через П. Общая тенденция современного плотиностроения - увеличение высоты П. Технически достигнутые высоты могут быть превзойдены, однако в экономическом отношении сооружение двух последовательно расположенных П. меньшей высоты часто оказывается более рациональным, чем одной высокой. Совершенствование типов П. из грунтовых материалов осуществляется при одновременном удешевлении и ускорении их строительства за счет повышения мощности строительных механизмов и транспортных средств. Повышение экономичности бетонных П. достигается уменьшением их объема, заменой гравитационных П. контрфорсными и более широким применением арочных П. Этой тенденции сопутствуют улучшение и специализация свойств цемента и бетона. Весьма эффективно совмещение в одном сооружении водосливной плотины и здания ГЭС, что обеспечивает сокращение бетонной (наиболее дорогостоящей) части напорного фронта гидроузла. Эта гидротехнических работ, М., 1970. А. . Можевитинов.

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!