Плотины. 
Характеристика и виды гидротехнических сооружений

Плотиной называется перегораживающее водоток сооружение, которое подпирает воду до более высокого, чем бытовой, уровня и концентрирует, таким образом, в одном месте удобный для использования напор, т. е. разность уровней воды перед и за плотиной. В составе любого напорного гидроузла плотина занимает важное место.

Плотины возводятся в различных климатических и природных условиях — в северных широтах и в районах вечной мерзлоты, а также на юге, в тропических и субтропических зонах, с высокими положительными температурами. Местом их расположения бывают многоводные равнинные реки, текущие в руслах, сложенных нескальными грунтами — песками, супесями, суглинками и глинами, а также горные реки, протекающие в глубоких скалистых ущельях, где часто повторяются сильные землетрясения. Разнообразие природных условий, целей создания плотин, масштабов и технической оснащенности строительства привело к множеству их типов и конструкций. Как и другие сооружения, плотины можно классифицировать по многим признакам, например по высоте, материалу, из которого они возводятся, возможности пропуска воды, характеру их работы как подпорных сооружений и др.

Гидротехнические водоподпорные сооружения, к которым относятся плотины, воспринимают различные по происхождению, характеру и продолжительности действия силы, суммарное воздействие которых значительно больше и сложнее, чем воздействие сил на здания и сооружения промышленно-гражданского типа.

Чтобы понять условия работы водоподпорных сооружений, рассмотрим схему бетонной плотины с основными нагрузками, действующими на нее. Как и все протяженные бетонные сооружения, плотина разрезается на секции швами, позволяющими секциям свободно деформироваться при температурных воздействиях, усадке и осадках, что предотвращает образование трещин. На каждую секцию плотины длиной L, высотой Н и шириной по основанию В действуют следующие силы.

Вес секции плотины G определяется по геометрическим ее размерам и удельному весу бетона g=rґg (как известно, удельный вес вещества равен произведению его плотности на ускорение свободного падения).

Рис. 5. Поперечные профили современных плотин в сопоставлении с силуэтами других сооружений (размеры в метрах): 1 — Днепровская; 2 — Бухтарминская; 3 — Красноярская; 4 — Братская; 5 — Чарвакская; 6 — пирамида Хеопса; 7 — Токтогульская; 8 — Чиркейская; 9 — Саяно-Шушенская; 10 — Усойский завал; 11 — Нурекская; 12 — Московский госуниверситет; 13- Ингурская

Давление фильтрующейся воды на подошву плотины возникает благодаря подземному току воды, протекающей под напором по порам и трещинам в грунте основания плотины из верхнего бьефа в нижний. Приближенно значение этой силы, называемой противодавлением, равно:

U=[H2+a/2(H1- H2)]ґgBL,.

где Н1, Н2 — глубины воды в бьефах; gудельный вес воды; a — понижающий коэффициент, учитывающий влияние противофильтрационных устройств и дренажа в основании плотины.

Гидростатическое давление воды со стороны верхнего и нижнего бьефов определяется формулами:

W1=gH12L/2; W2 =gH22L/2.

Перечисленные выше силы относятся к категории главнейших и постоянно действующих. Помимо них, в необходимых случаях по особым формулам учитывают динамическое давление волн, давление льда, наносов, отложившихся в водохранилище, а также сейсмические силы. Дополнительное влияние на прочность бетонной плотины оказывают неравномерные колебания температуры. Охлаждение поверхностей плотины вызывает в них растягивающие напряжения, и в бетоне, слабо им сопротивляющемся, могут образоваться трещины. В условиях действия перечисленных сил и напора воды плотина должна быть прочной, устойчивой против сдвига и водонепроницаемой (это требование распространяется и на ее основание). Кроме того, плотина должна быть экономичной, т. е. из всех вариантов, удовлетворяющих упомянутым требованиям, должен быть выбран вариант, характеризуемый минимумом затрат.

Особое место в гидротехнике занимают вопросы, связанные с фильтрацией воды из верхнего бьефа в нижний. Явление это неизбежно, и задача гидротехники заключается в ее прогнозировании и организации, и предотвращении опасных или убыточных последствий при помощи инженерных мероприятий. Путями фильтрационных токов могут быть: тело сооружения, даже если оно возведено из бетона; основание сооружения, особенно когда оно представляет собой нескальные или трещиноватые скальные породы; берега в местах примыкания к ним напорных сооружений. Вредными последствиями фильтрации являются непроизводительные потери воды из водохранилищ, которая не используется, таким образом, для народнохозяйственных целей, противодавление, снижающее степень устойчивости напорного сооружения, и фильтрационные нарушения или деформации тела грунтовой плотины или нескального основания, в частности, в виде суффозии или выпора.

Суффозией обычно называется вынос фильтрационным потоком мелких частиц через поры между более крупными частицами; она происходит в несвязных (сыпучих) грунтах — разнозернистых песчаных, песчано-гравелистых. При химической суффозии растворяются соли, залегающие в скальных породах. Выпор — это вынос подземным потоком, фильтрующимся из-под напорного сооружения в нижний бьеф, значительных объемов грунта основания, состоящего из связных пород, например суглинков, глин и т. п.

Для обеспечения нормальной работы сооружения и ликвидации опасных явлений при проектировании сооружения предусматривают рациональный подземный контур (рис. 6). Это достигается увеличением пути фильтрации под сооружением, созданием водонепроницаемого покрытия в верхнем бьефе (понура) и мощного водобоя в нижнем бьефе, закладкой шпунтовых или иных завес, зубьев или другими мероприятиями.

Рис. 6. Схема плотины на фильтрующем основании (по С. Н. Максимову, 1974): 1 — тело плотины, 2 — водобой, 3 — рисберма, 4 — понур, 5 — линии тока, 6 — шпунты

Плотины из грунтовых материалов.

Древний тип напорных гидротехнических сооружений — это плотины из грунтовых материалов. В зависимости от используемых грунтов плотины бывают однородные и неоднородные, в поперечном профиле тело последних состоит из нескольких видов грунтов. Для возведения однородной грунтовой плотины используются различные маловодопроницаемые грунты — пески, морена, лесс, супеси, суглинки и др. По конструкции плотины и ее сопряжению с основанием — это наиболее простой тип напорного сооружения.

Неоднородные грунтовые плотины, в свою очередь, делятся на плотины с экраном из маловодопроницаемого грунта, укладываемого со стороны верхового откоса плотины, и плотины с ядром, у которых маловодопроницаемый грунт располагается в середине профиля плотины. Вместо грунтового ядра могут применяться негрунтовые диафрагмы из асфальтобетона, железобетона, стали, полимеров и др. Экраны также могут выполняться из указанных негрунтовых материалов.

В зависимости от способа производства работ грунтовые плотины бывают насыпные, с механическим уплотнением насыпаемого грунта, и намывные, возводимые с помощью средств гидромеханизации; последний способ возведения грунтовых плотин при наличии соответствующих условий (обеспечение водой, энергией и оборудованием, наличие подходящего состава грунтов и пр.) отличается высокой производительностью, доходящей до 200 тыс. м3/сут.

Каменно-земляные плотины возводятся в основной части объема из наброски камня; их водонепроницаемость достигается устройством экрана или ядра, укладываемых из маловодопроницаемых грунтов (суглинков и т. п.). Между камнем и мелкозернистым грунтом устраиваются обратные фильтры — переходные слои из песка и гравия с возрастающей в сторону камня крупностью, чтобы предотвратить суффозию грунта противофильтрационных устройств.

Такие плотины нашли широкое применение в высоконапорных гидроузлах на горных реках. Так, высота плотины Нурекской ГЭС на р. Вахше составляет 300 м.

Преимуществом их, по сравнению с другими типами плотин, является использование имеющихся на месте строительства камня и грунта, возможность широкой механизации основных видов работ (наброска камня и отсыпка грунтов), а также доста точная сейсмостойкость. По сравнению с другими типами грунтовых плотин каменно-земляные отличаются большей крутизной откосов, т. е. меньшим объемом материалов.

Малая ширина малопроницаемого контакта каменно-земляной плотины с основанием усложняет конструкцию их водонепроницаемого сопряжения. В нескальных грунтах требуется забивка шпунтового ряда или закладка бетонной шпоры, а в скальных устраивают цементационную завесу путем нагнетания цементного раствора через пробуренные скважины в трещины породы. Подобные сопряжения предотвращают опасные фильтрационные явления в основании напорных сооружений.

Каменно-набросные плотины возводятся путем наброски или отсыпки камня, а их водонепроницаемость обеспечивается экраном на верховом откосе или диафрагмой в середине профиля, сооружаемыми из негрунтовых материалов (железобетон, дерево, асфальтобетон, сталь, пластмассы и др.). Каменные плотины возводятся из сухой каменной кладки, что также требует устройства экранов, или из каменной кладки на растворе. Эти плотины в настоящее время строят редко.

Плотины из искусственных материалов.

Деревянные плотины являются одним из старейших типов напорных сооружений, насчитывают много сотен лет существования. В этих плотинах основные нагрузки воспринимаются деревянными элементами, а устойчивость их против сдвига и всплывания обеспечивается закреплением деревянных конструкций в основании (например, забивкой свай) или загрузкой балластом из камня или грунта (в ряжевых конструкциях). Деревянные плотины строят для малых напоров, от 2 до 20 м.

Тканевые плотины начали возводить сравнительно недавно в связи с появлением прочных водонепроницаемых синтетических материалов. Основными элементами конструкции тканевых плотин являются сама оболочка, наполненная водой или воздухом и играющая роль затвора (водослива), анкерные устройства для прикрепления оболочки к бетонному флютбету, система трубопроводов и насосное или вентиляторное оборудование для наполнения и опорожнения оболочки. Область применения тканевых плотин редко выходит за предел напоров в 5 м.

Бетонные плотины имеют широкое применение в гидротехническом строительстве. Они строятся в различных природных условиях и допускают перелив воды через специальные пролеты на их гребне (водосбросные плотины), что невозможно или нерационально в плотинах из грунтовых материалов. Конструктивные формы их весьма различны, что зависит от многих факторов. Наибольшая высота бетонной плотины гравитационного типа Гранд Диксанс (Швейцария) составляет 284 м. В России возведена Саяно-Шушенская плотина арочно-гравитационного типа на Енисее высотой 240 м. Плотина имеет скальное основание. Водосбросные плотины гидроузлов Свирского и Волжского каскадов возведены на нескальном основании в сложных геологических условиях. Облегченные бетонные плотины появились позже массивных и имеют в России сравнительно небольшое распространение. По конструкции бетонные плотины подразделяются на три разновидности: гравитационные, арочные и контрфорсные. Наиболее известной разновидностью этих плотин являются контрфорсные плотины. Преимуществом их перед массивными является меньший объем бетонных работ. В то же время они требуют более прочного бетона, усиления его арматурой.

Гравитационные плотины при воздействии на них основных сил гидростатического давления обеспечивают достаточное сопротивление сдвигу, в основном благодаря большому собственному весу. В целях борьбы с фильтрацией воды в основании плотины устраивают цементационные завесы (в скальных основаниях), забивают шпунтовые ряды (в нескальных основаниях). Для повышения устойчивости плотины организуют дренажи, устраивают полости, снижающие противодавление, и другие мероприятия.

Арочные плотины криволинейные в плане с выпуклостью в сторону верхнего бьефа, сопротивляются действию гидростатического давления и других горизонтальных сдвигающих нагрузок в основном за счет упора их в берега ущелья (или устои). При возведении арочных плотин обязательным требованием является наличие достаточно прочных и мало податливых скальных пород в береговых примыканиях. Эти плотины не требуют подобно гравитационным значительного веса бетонной кладки, они экономичнее гравитационных плотин. Радиусы кривизны их арочных элементов увеличиваются снизу вверх.

Контрфорсные плотины состоят из ряда контрфорсов, форма которых в боковом фасаде близка к трапеции, расположенных на определенном расстоянии друг от друга; на контрфорсы опираются напорные перекрытия, воспринимающие действующие со стороны верхнего бьефа нагрузки. На контрфорсы сверху опираются пролеты мостового перехода. В свою очередь контрфорсы передают нагрузку на основание. Наиболее известны следующие разновидности контрфорсных плотин: массивно-контрфорсные, с плоскими перекрытиями, многоарочные. Контрфорсные плотины бывают как глухими, так и водосбросными. Они возводятся на скальных и нескальных грунтах; в последнем случае у них появляется дополнительный конструктивный элемент в виде фундаментной плиты, назначение которой — уменьшить напряжения в грунте основания. Для придания большей сейсмостойкости контрфорсам в условиях поперечного сейсма (поперек реки) они иногда связываются между собой массивными балками.

Особенностью контрфорсных плотин являются увеличенная ширина по основанию и наклон верховой грани, что приводит к тому, что на последнюю передается значительная вертикальная составляющая давления воды, прижимающая плотину к основанию и обеспечивающая ей устойчивость против сдвига, несмотря на уменьшенный вес. Противодавление в таких плотинах меньше, чем в массивных гравитационных.

Контрфорсные плотины требуют меньших объемов бетона, чем гравитационные, однако затраты на повышение качества бетона, арматуру и усложнение производства работ делает их по экономическим показателям достаточно близкими друг к другу. Самая высокая контрфорсная (многоарочная) плотина Даниэль-Джонсон высотой 215 м. построена в Канаде.