Конструктивные преграды

Гидроэнергетика имеет многовековую историю развития, начиная с водяных мельниц и заканчивая современными мощными гидроэлектростанциями, которые обеспечивают около 20% общего производства электрической энергии в мире.

Сегодня мы продолжим знакомство с гидроэлектростанциями и более подробно остановимся на гидротехнических сооружениях, которые позволяют создать перепад уровней, тем самым обеспечивая возможность выработки электрической энергии. Такими сооружениями являются плотины различных типов.

Плотина - это сооружение, перегораживающее реку (или другой водоток) для подъёма уровня воды перед ним, сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища. Плотина обычно является основной частью гидроузла, в который также могут входить ГЭС, судоходные шлюзы, водосбросы и водотоки, сооружения для удаления льда, наносов, шуги, пропуска брёвен и другие.

Гидроузлы имеют многообразное водохозяйственное значение: создаваемый ими подпор в верхнем бьефе позволяет увеличивать глубины до уровней, необходимых для судоходства и лесосплава, а также для обеспечения водоснабжения населённых пунктов; перепад уровней позволяет использовать течение реки для выработки электроэнергии; с помощью водохранилища можно регулировать сток реки, аккумулируя дополнительные объёмы воды во время весеннего паводка и увеличивая сток во время летней межени. Также велико их влияние на окружающую среду: водохранилище затапливает огромные площади прибрежных земель, в том числе плодородных; большой объём аккумулированной воды изменяет микроклимат в районе сооружения плотины (он становится более мягким и влажным); меняются температура воды, продолжительность ледостава; затрудняется миграция рыбы; изменяется режим стока реки. Таким образом, становится понятным, что возведение крупных плотин должно тщательно планироваться с тем, чтобы они впоследствии наносили минимальный экологический ущерб окружающей среде.

Какими они бывают?

Существует множество видов классификаций плотин. Так, по назначению плотины бывают водохранилищными и водоподъёмными (такие плотины служат лишь для подъёма уровня воды в верхнем бьефе, например, для увеличения судоходных глубин). По величине напора плотины условно подразделяют на низконапорные (с напором до 10 м), средненапорные (от 10 до 40 м) и высоконапорные (более 40 м).

По роли в составе гидроузла плотины подразделяют на глухие и водосливные. В первых нет специальных устройств для сброса воды, они предназначены только для перегораживания водотока. Вторые предназначены для сброса избыточных объёмов воды и оборудованы поверхностными водосливными отверстиями (открытыми или с затворами) или глубинными водоспусками. Водопропускные сооружения могут располагаться как в теле плотины, так и на берегах, обеспечивая транспортировку воды в обход тела плотины.

По основному материалу, из которого возведена плотина, среди них различают земляные, каменные, бетонные и деревянные.

Земляные

Земляные плотины (рис. 1) обычно сооружают из глинистых, песчано-глинистых, песчаных местных грунтов насыпным или намывным способом. При возведении плотины насыпным способом грунт добывают в карьере экскаваторами и транспортируют к месту укладки самосвалами, где затем его послойно укатывают катками. Возведение намывной плотины включает разработку грунта гидромониторами, транспортировку пульпы по трубам и распределение её по поверхности плотины, после чего вода отводится, а грунт самоуплотняется. Для уменьшения водопроницаемости по верховому откосу плотины укладывают экран из малопроницамых грунтов или устраивают ядро из таких материалов в теле плотины. Таким образом достигается большая фильтрационная устойчивость.

Рис. 1. Земляная плотина Цимлянской ГЭС ООО «ЛУКОЙЛ-Экоэнерго».
Самая большая намывная плотина в России

Каменные

Каменно-набросные плотины (рис. 2) отсыпаются или набрасываются из камня. Водонепроницаемость их обеспечивается путём устройства экрана или центрального водонепроницаемого элемента из железобетона, асфальта, металла, полимерных материалов. Камень для наброски плотины должен обладать устойчивостью к выветриванию, действию мороза и фильтрационного потока. Лучшие материалы для каменно-набросной плотины: гранит, сиенит, диорит, диабаз, а также плотные известняки и кварциты. Каменные плотины чаще всего глухие, водоотводные сооружения возводятся по берегам и, редко, в теле плотины. Возможность использования местных материалов определяет экономичность каменных плотин и их широкое применение в различных географических районах.

Рис. 2. Каменно-набросная плотина Нурекской ГЭС.
Самая высокая в мире – 304 м

Бетонные

Основным материалом для бетонных плотин служит гидротехнический бетон, к которому предъявляются повышенные требования: он должен обладать прочностью, водонепроницаемостью (плотностью), стойкостью против истирания наносами и водой и разрушающего воздействия мороза и агрессивной воды. Бетонные плотины делят на три основных типа: гравитационные, арочные и контрфорсные.

Устойчивость гравитационной плотины по отношению к сдвигающим её силам (давление воды, льда, волн и пр.) обеспечивается в основном силами трения, определяемыми собственным весом плотины. Такие плотины весьма распространены в мире, например, их имеют Бурейская (рис. 3), Красноярская ГЭС в России или плотина Гран-Дисканс в Швейцарии.

Рис. 3. Бурейская ГЭС имеет бетонную гравитационную плотину

Прочность арочной плотины - криволинейной в плане - обеспечивается в основном её работой в качестве свода с передачей давления берегам или устоям. Арочные плотины сооружают в основном из бетона при наличии прочного скального основания и скалистых берегов (рис. 4). Арочные плотины могут быть глухими или водосбросными.

Рис. 4. Чиркейская ГЭС имеет самую высокую арочную плотину в России.
Её высота – 232,5 м

В контрфорсной плотине (рис. 5) давление воды верхнего бьефа воспринимается напорным перекрытием (в виде плит, сводов и т. п.) и передаётся основанию контрфорсами. Такие плотины сооружают из бетона или железобетона. По сравнению с массивными гравитационными плотинами контрфорсные дают экономию в бетоне и стоимости 40% и более в зависимости от конструкции и местных условий, их высота иногда превышает 100 м.

Рис. 5. Массивно-контрфорсная плотина Зейской ГЭС. Высота – 115,5 м