Плотина

Плотина (далее П), гидротехническое сооружение, перегораживающее реку (или др. водоток) для подъема уровня воды перед ним, сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища. Водохозяйственное значение П 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. е. 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 м, 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 ( 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 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). Флютбет и быки такой П с целью экономии материала иногда делают облегченной ячеистой конструкции, с заполнением ячеек грунтом.   В лесных районах часто сооружают низконапорные деревянные П свайной и ряжевой конструкции (обычно их устраивают водосливными).   Особый тип водоподпорного сооружения — разборная судоходная П Для ее возведения в летнюю межень на плоском флютбете устанавливают контрфорсы из стальных ферм, по ним прокладывают мосты, на которые опирают затворы простейшей конструкции. П подпирает 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 задача решается как путем размещения гидроагрегатов в полости высокой П, так и посредством использования подводного массива низконапорной ГЭС для устройства в нем водосбросных отверстий.   Лит.: Гришин М. М., Гидротехнические сооружения, М., 1968; Ничипорович А. А., Плотины из местных материалов, М., 1973; Моисеев С. Н., Каменно-земляные и каменно-набросные плотины, М., 1970; Гришин М. М., Розанов Н. П, Бетонные плотины, М., 1975; Производство гидротехнических работ, М., 1970.   А. Л. Можевитинов.