Плотина

Плотина, гидротехническое сооружение, перегораживающее реку (или др. водоток) для подъёма уровня воды перед ним, сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища. Водохозяйственное значение П. многообразно: подъём уровня воды и увеличение глубин в верхнем бьефе благоприятствуют судоходству, лесосплаву, а также водозабору для нужд орошения и водоснабжения; сосредоточение напора у П. создаёт 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 ещё 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 (её 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 (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 её размерами, назначением, а также природными условиями и видом основного строительного материала. По назначению различают П. водохранилищные и П. водоподъёмные (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. создаётся 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 её по поверхности возводимой П., после чего вода уходит, а оседающий грунт самоуплотняется. Для подготовки основания и возведения земляной П. в русле реки её 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 течёт 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 приём, с временным отводом реки в береговые водоводы. Распространённая 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 её составляют водосливные пролёты, 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 лёгкое 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 облегчённой 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 её 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 счёт повышения мощности строительных механизмов и транспортных средств. Повышение экономичности бетонных П. достигается уменьшением их объёма, 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 путём размещения гидроагрегатов в полости высокой П., так и посредством использования подводного массива низконапорной ГЭС для устройства в нём 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.