Бетонная гравитационная плотина

Бетонная гравитационная плотина — это тип гидротехнического сооружения, устойчивость которого к опрокидыванию и сдвигу обеспечивается исключительно собственным весом (силой тяжести). Плотина воспринимает давление воды, собственный вес, волновые, ледовые, температурные и сейсмические воздействия, передавая их на основание (скальное или нескольное). Относится к классу гравитационных плотин, в отличие от арочных или контрфорсных, где устойчивость достигается за счёт передачи нагрузки на берега или использования дополнительных конструктивных элементов.

Общие сведения и принцип работы

Основной принцип работы бетонной гравитационной плотины заключается в том, что её огромная масса (обычно миллионы тонн бетона) создаёт силу трения по подошве, которая превышает горизонтальное давление воды. Профиль плотины в поперечном сечении близок к треугольному: ширина подошвы составляет от 0,7 до 1,0 от высоты плотины, а гребень — значительно уже. Такая форма обеспечивает оптимальное распределение напряжений в теле плотины и на контакте с основанием.

Гравитационные плотины могут быть:

• Глухими (водослив не предусмотрен, вода переливается через гребень только в аварийных ситуациях);
• Водосливными (имеют водосливные отверстия для пропуска паводковых вод);
• С глубинными водосбросами (для пропуска воды из нижних слоёв водохранилища).

История развития

Первые гравитационные плотины строились из каменной кладки на известковом растворе. С развитием технологии производства цемента и бетона в конце XIX — начале XX века началось массовое возведение бетонных гравитационных плотин.

Ключевые этапы:

• 1900–1930-е годы — строительство первых крупных бетонных плотин в США (плотина Рузвельта, 1911 г.) и Европе.
• 1930–1960-е годы — период массового гидростроительства в СССР: Волховская ГЭС (1926 г., одна из первых бетонных гравитационных), Днепрогэс (1932 г.), плотины Волжско-Камского каскада (Куйбышевская, Волгоградская ГЭС — 1950–1960-е).
• 1960–1980-е годы — строительство сверхвысоких плотин (Саяно-Шушенская ГЭС, 1978 г., высота 242 м — арочно-гравитационная; плотина Гувера в США, 1936 г., высота 221 м — арочно-гравитационная).
• Современность — совершенствование конструкций, применение высокопрочных бетонов, методов укладки (укатанный бетон, RCC), компьютерное моделирование напряжённо-деформированного состояния.

Конструктивные особенности

Профиль и размеры

Поперечное сечение бетонной гравитационной плотины имеет форму прямоугольного треугольника или трапеции с уклоном напорной грани (обычно 1:0,05–1:0,1) и низовой грани (1:0,7–1:1,0). Ширина подошвы определяется расчётом на устойчивость и составляет:

• Для скальных оснований — (0,7–0,8) × H (где H — высота плотины);
• Для нескольных оснований — (1,0–1,2) × H.

Элементы плотины

• Гребень — верхняя часть, ширина определяется по условиям проезда и эксплуатации (обычно 5–15 м);
• Подошва — нижняя контактная поверхность, передающая нагрузку на основание;
• Напорная грань — вертикальная или слабонаклонная стена, воспринимающая давление воды;
• Низовая грань — наклонная стенка, обеспечивающая устойчивость;
• Дренажные устройства — вертикальные и наклонные колодцы, скважины для снижения фильтрационного давления;
• Деформационные швы — разрезают плотину на секции (обычно длиной 15–30 м) для компенсации температурных и усадочных деформаций;
• Водосливные отверстия — поверхностные (на гребне) или глубинные (в теле плотины), оборудованные затворами.

Материалы

Для возведения применяется гидротехнический бетон марок по водонепроницаемости W4–W12, морозостойкости F100–F500, прочности B15–B40. В последние десятилетия широко используется укатанный бетон (RCC — Roller Compacted Concrete), который укладывается слоями и уплотняется виброкатками, что позволяет значительно ускорить строительство и снизить затраты.

Классификация

По типу основания:

• На скальном основании (наиболее распространённый тип);
• На нескольном (глинистом, песчаном, гравийном) — требует устройства противофильтрационных завес, шпунтовых стен, более массивного профиля.

По конструктивному исполнению:

• Массивные — сплошные бетонные блоки без внутренних полостей;
• Облегчённые — с продольными галереями, полостями для снижения веса (редко, так как снижение массы ухудшает устойчивость);
• Арочно-гравитационные — сочетают принципы арочной и гравитационной плотины (криволинейный план, частичная передача нагрузки на берега).

По способу пропуска воды:

• Водосливные — с поверхностным водосливом (например, на равнинных реках);
• Глубинные — с глубинными водосбросами (на горных реках, где требуется сброс воды из нижних слоёв).

Применение

Бетонные гравитационные плотины используются в гидроэнергетике, водоснабжении, ирригации, защите от наводнений. Они составляют основу многих крупных гидроузлов в России и мире.

Примеры крупных бетонных гравитационных плотин в России:

• Саяно-Шушенская ГЭС (река Енисей) — арочно-гравитационная плотина высотой 242 м, длина 1066 м, объём бетона 9,1 млн м³;
• Красноярская ГЭС (река Енисей) — гравитационная плотина высотой 124 м, длина 1075 м, объём бетона 6,3 млн м³;
• Братская ГЭС (река Ангара) — гравитационная плотина высотой 125 м, длина 924 м, объём бетона 4,9 млн м³;
• Волжская ГЭС (река Волга) — водосливная гравитационная плотина высотой 44 м, длина 725 м.

Примеры зарубежных плотин:

• Плотина Гувера (США, река Колорадо) — арочно-гравитационная, высота 221 м;
• Плотина Гранд-Диксанс (Швейцария) — гравитационная, высота 285 м (самая высокая в мире гравитационная плотина);
• Плотина Итайпу (Бразилия/Парагвай) — гравитационная, высота 196 м, длина 7919 м (одна из крупнейших по мощности ГЭС).

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Высокая надёжность и долговечность (срок службы — 100–150 лет и более);
• Устойчивость к сейсмическим воздействиям (при правильном расчёте);
• Возможность возведения на различных основаниях (в том числе на нескольных);
• Простота конструкции и технологии строительства по сравнению с арочными плотинами;
• Возможность пропуска паводков через водосливные отверстия.

Недостатки:

• Огромный расход бетона (до 10 млн м³ и более для крупных плотин);
• Высокая стоимость строительства;
• Длительные сроки возведения (5–10 лет);
• Значительное воздействие на окружающую среду (затопление территорий, изменение гидрологического режима реки);
• Необходимость устройства мощных противофильтрационных завес и дренажа.

Интересные факты

• Самая высокая бетонная гравитационная плотина в мире — Гранд-Диксанс (Швейцария, 285 м), построена в 1965 году.
• Самая массивная бетонная плотина в России — Саяно-Шушенская (9,1 млн м³ бетона).
• Плотина Гувера (США) была построена за 5 лет (1931–1936) с использованием 3,36 млн м³ бетона.
• В СССР в 1950–1980-е годы было построено более 50 крупных бетонных гравитационных плотин, многие из которых входят в число крупнейших в мире.
• При строительстве плотины Братской ГЭС (1955–1967) было уложено 4,9 млн м³ бетона, что сопоставимо с объёмом пирамиды Хеопса.

Источники

• Гидротехнические сооружения: учебник / под ред. В. П. Ляпина. — М.: Энергоатомиздат, 1992.
• Справочник по гидротехнике / под ред. П. Г. Киселёва. — М.: Стройиздат, 1975.
• Гидроэнергетика России / под ред. В. В. Берлина. — М.: Энергия, 2002.
• Материалы сайта РусГидро (раздел «Наши объекты»).
• «Плотины и водохранилища» — энциклопедия гидротехники, 2010.