Плотина — это гидротехническое сооружение, которое строят для перегораживания водотока с целью подъема уровня воды, создания водохранилища. Не стоит путать плотину с дамбой, у этих сооружений разное назначение. В этой статье мы расскажем все, что нужно знать о плотинах.
Для чего строят плотины
Чаще всего плотина является частью комплекса гидротехнических сооружений. Их строят на реках, задачей является аккумулирование водных ресурсов. Вода может использовать для обеспечения работы гидроэлектростанции, для мелиорации, забора воды, разведения рыбы и других целей. Некоторые из целей являются дополнительными (побочными). Например, обычно никто не строит дорогостоящую плотину чтобы создать водохранилище для разведения рыбы, в этом попросту нет никакого смысла.
Плотины бывают разные, про их классификацию мы еще расскажем ниже. Делают их из разных материалов, но сегодня при слове «плотина» большинство представляют высокую бетонную конструкцию при которой работает гидроэлектростанция. И действительно, сегодня чаще всего именно при строительстве ГЭС возводят плотины. Их могут делать как на небольших, так и на крупных и широких реках.
Плотины небольшого размера называют «запруды». Их могут делать на небольших ручьях или даже в оврагах, в которых нет воды, пока нет дождей. Здесь задачей плотины будет создание резервуара воды, которая будет использоваться в разных целях. Например, для полива сельскохозяйственных земель. Их могут строить для поднятия уровня воды, чтобы стало возможным судоходство.
Виды плотин
Существуют разные способы классификации плотин и разделение их на конкретные виды. Поговорим подробнее и по пунктам.
Материал
В первую очередь стоит поговорить про материал из которого делают плотины.
Бетонные плотины
Плотины делают из разных материалов, сегодня крупные делают из бетона или железобетона. Это позволяет создавать конструкции, которые способны выдерживать огромные объемы воды. Крупнейшие плотины миры это именно бетонные или железобетонные конструкции. Бетонные плотины бывают разных типов, например гравитационные или арочные, об этом мы поговорим ниже. Недостаток в высокой стоимости.
Грунтовые плотины
Используют разный грунт, но предпочтительнее тяжелый, с большим количеством камней, но их могут делать из земли, иногда допустимо и содержание небольшого количества песка. Преимущество в их невысокой стоимости (зачастую грунт берут прямо рядом с местом строительства), а также скорость и простота возведения. Впрочем, для строительства надежной грунтовой плотины нужно проводить определенные расчеты, да и они бывают разных типов. Их разделяют на каменные, каменно-земляные и земляные.
Главный минус их в том, что нужны меры по борьбе с фильтрацией, а также их неустойчивость если вода поднимется высоко и начнет переливаться через гребень. В этом случае грунтовую плотину может попросту размыть. Грунтовые равнины распространены шире, чем вы думаете, их часто возводят на равнинных гидроузлах. Например, именно такая плотина построена на реке Вахш (Нурецкая ГЭС).
Металлические плотины
Чаще всего это стальные плотины, которые можно отнести к контрфорсным (подробнее об этом ниже). Например, такая плотина есть на реке Куре или на реке Юкон (Канада). У них есть плюсы, в частности огромная прочность, их можно быстро возвести (при условии, что все комплектующие произведены). Но широкого распространения они не получили так как их стоимость слишком высока. Проще говоря, нет никакого смысла делать металлическую плотину, если дешевле выбрать другой материал.
Деревянные плотины
Один из самых старых типов плотин. Делают их и сегодня, чаще всего с целью создания небольших водохранилищ, небольшого подъема уровня воды для сплава леса и других целей. Еще в XX веке в России строили тысячи деревянных плотин, которые имели разную конструкцию и размеры. Плюс в том, что древесина является распространенным и недорогим материалом. Минус в относительно небольшом сроке службы. Впрочем, его продлевает путем обработки древесины специальными составами, но все равно, срок службы меньше, чем у плотин других типов. По этой причине из дерева не будут строить большие плотины.
Тканевые плотины
Также они могут называться плотины-оболочки. Довольно специфичный вид, который делают из резино-тканевых материалов. Они могут растягиваться, деформироваться, имеют неплохую гибкость. Срок службы до 20 лет. При этом пролеты подобных плотин могут иметь длину более ста метров. Этот вид плотин используется очень редко, чаще всего в мелиоративных целях в качестве временной плотины, которую в будущем заменяют на другой тип, если это необходимо.
Габионные плотин
Габион это сетчатая конструкция, которая заполнена камнями или другими природными материалами. Проще говоря, это сетчатый контейнер, который чем-то заполняют. Подобные плотины встречаются достаточно редко, обычно их строят временно. Чаще подобные технологии используют при строительстве защитных дамб.
Условия пропуска расхода воды
Тут выделяют пять типов, подробно рассказывать смысла нет, из их названий все и так понятно:
- Водосборные
- Разборные
- Переливные (тут вода может переливаться через гребень)
- Глухие (вода не может переливаться)
- Фильтрующие (в теле плотины есть каналы для спуска воды, обычно их можно открывать или закрывать).
Здесь выбор вида зависит от цели с которой строится плотина. Если за ней подразумевается создание огромного водохранилища, то из соображений безопасности они будет переливая или фильтрующая. Последние также возводят при строительстве гидроэлектростанций.
Способ воспринятия нагрузок
Плотины также разделяют по способу воспринятия нагрузок, здесь выделяют четыре типа, про каждый из них имеет смысл рассказать подробнее.
Гравитационная плотина
Устойчивость обеспечивается силой трения по её основанию. Проще говоря, чем больше вес плотины, тем больший напор воды она может выдержать. Это самый распространенный вид плотин, так как конструкция относительно простая, но при этом очень надежная. Основной фактор у гравитационных плотин это отношение её толщины к высоте. Тут зависит от типа грунта, чем он тверже, тем тоньше может быть плотина. Пример — Красноярская ГЭС. Более того, у таких плотин очень большой запас прочности, это позволяет экономить на строительных материалов, например, внутри могут быть пустоты. Минус в том, что гравитационные плотины обычно относятся к самым дорогим.
Контрфорсная плотина
Их делают из железобетона, они не имеют арочной геометрии, а их устойчивость не обеспечивается их массой (в некоторых случаях). Устойчивость обеспечивается за счет смыкания стен плотины на её гребне, либо путем создания контрфорсных элементов внутри неё. Если говорить простыми словами, то давление воды сперва уходит на контрфорсы, а уже они передают его на основание. Пример — Зейская ГЭС.
Арочная плотина
Арочные плотины имеют форму арки, которая опирается на берега. Тут устойчивость обеспечивается не за счет её веса, а за счет того, что такая конструкция передает давление воды на берег. Минус таких плотин в том, что их строительство возможно далеко не везде. Чаще всего их строят в горных районах, где берега возвышенные, это позволяет возвести полноценную арочную плотину. Пример — Чиркейская в России.
Арочно-гравитационная
Это своего рода гибрид в котором используются принципы как гравитационной, так и арочной плотин. Для устойчивости тут используется как вес самой плотины, так и её геометрия в виде арки, которая распределяется на стены. Разница в толщине основания и гребня может быть в десятки раз. Известные примеры — Саяно-Шушенская ГЭС, плотина Гувера в США.
Также плотины могут разделять по способу возведения, тут выделяют насыпные, намывные и направленного взрыва, но строительство плотин это тема для отдельной статьи. Особняком стоит классификация грунтовых плотин, о них мы писали выше, тут могту использоваться иные принципы и расчеты, нежели для железобетонных.
Ну и конечно, тут мы не будем рассматривать плотины которые строят бобры. Кстати, их можно отнести к деревянным и они на самом деле довольно непростые сооружения с инженерной точки зрения. Бобры могут делать выдающиеся сооружения, о них мы рассказывали в отдельной статье. Рекомендуем почитать, это действительно крайне интересно, многие даже не представляют как и какие плотины могут построить бобры!
Разрушение плотин
Разрушение плотины может привести к катастрофическим последствиям. Само по себе разрушение конструкции это экономический ущерб, но вот огромные массы воды, которые устремляются ниже по течению, могут привести к тяжелым последствиям. Поражающие факторы при разрушении это не только сама вода, но также грунт, деревья, части построек — все то, что мощный поток может смыть.
Наверняка многие помнят аварию на Саяно-Шушенской ГЭС. Но там не было собственно разрушения плотины, речь шла про разрушение гидроагрегата гидроэлектростанции. Если бы оказалась разрушена сама плотина, последствия были бы более катастрофичными. И подобное происходило в истории, ниже будет список нескольких разрушений плотин. Но сегодня их строят с серьезным запасом прочности. Да и раньше строили так, просто иногда допускали промашки.
Большая плотина это в любом случае дорогое гидротехническое сооружение. Экономить тут никто не будет, ведь экономия на строительстве в конечном итоге может вылиться в огромный экономический ущерб. Когда их проектируют, учитывают все факторы, вплоть до устойчивости к землетрясениям, если этот район считает сейсмоопасным. А вот список:
- Сент-Френсис в 1928 году, погибло 600 человек.
- Днепрогэс в 1941 и 1943, оценки разные.
- Мальпассе в 1959 году, погибло 423 человека.
- Вайонт в 1963 году, погибло 2500 человек.
Подробнее про эти и другие интересные случаи вы можете прочитать в статье «Крупнейшие разрушения плотин», там есть масса интересного, рекомендуем!
Список крупнейших плотин в мире
Статья про плотины не будет полной, если в ней не будет списка крупнейших плотин. Можно было бы написать отдельную статью, но мы не будем, ограничимся лишь списком. Кстати, плотины обычно разделяют по высоте, а не по длине, мы от этой традиции также не отходить не будем.
- ГЭС Цзиньпин — 1, высота 305 метров, Китай. Это арочная плотина, которая построена из бетона.
- Нурекская ГЖС — 300 метров, Таджикистан, река Вахш, мы её уже упоминали. Это насыпная земляная плотина.
- ГЭС Лянхэкоу — 295 метров, Китай. Каменно-насыпная плотина, которую облицовали бетоном.
- ГЭС Сяовань — 292 метра, Китай. Арочная плотина на реке Меконг.
- ГЭС Байхэтань — 289 метров, Китай. Арочная, построена на реке Цзинхэ.
- ГЭС Силоду — 285,5 метров, Китай. Крупнейшая плотина на реке Янцзы, арочная.
- Гранд Диксенс — 285 метров, Швейцария. Гравитационная плотина на реке Диксенс.
- ГЭС Ингури — 271,5 метров, Грузия. Арочная, стоит на реке, по имени которой и получила название.
- ГЭС Юсуфели — 270 метров, Турция. Арочная плотина на реке Чорох.
- Вайонт — 261,6 метров, Италия. Её мы упоминали когда говорили про разрушение плотин, ныне она не используется.
Это был список из десяти высочайших плотин в мире на данный момент. Но сегодня строится ее несколько, которые будут выше. Лидером списка станет Рогунская ГЭС в Таджикистане на реке Вахш, её высота будет 335 метров. Немногим уступит ГЭС Бахтияри в Иране — 325 метров. Рогунская ГЭС уже работает и дает электроэнергию, но пока нельзя сказать, когда её закончат. Кстати, к слову о стоимости плотин. В 2016 её достройку оценивали почти в четыре миллиарда долларов и это при том, что это каменно-земляная насыпная плотина, то есть, не самый дорогой тип.
Как строят плотины
Когда мы смотрим на большие реки, мы с трудом верим, что на них можно что-то построить. Строительство плотин это тема для отдельной статьи, а то и для нескольких, в одной все не расскажешь. Но мы постараемся коротко рассказать основное и в общих чертах.
Обычно перед строительством плотины осушают реку на том участке, где её хотят строить. Проще говоря, меняют русло реки, делая для неё обходной путь. Его могут выкопать или расчистить взрывами. Объем работ зависит от места расположения плотины, иногда используют и другие методы. Тут проще всего с равнинными и неторопливыми реками, где легко прокопать обходные каналы.
Но плотины могут строить и без этого. Сперва делают перемычку, при этом часть реки остается свободной и через неё проходит вода. В перемычке откачивают воду и начинают работы по укреплению грунта. Далее над свободной частью реки возводят мост, обычно наплавной и уже с него засыпают оставшееся русло реки. Подобный метод часто применяют на горных или на очень больших реках, где сделать обходной путь невозможно.
Конечно, мы рассказали в общих чертах и не вдавались в подробности. На деле строительство плотин это гораздо сложнее и дороже. Стоимость и сложность зависят не только от размера плотины, но и от условий на местности: рельефа, преобладающего грунта, сейсмической активности и от других факторов.
Видео