Международная комиссия по большим плотинам

Типы плотин

Плотина — перегораживающее реку (или другой водоток) для подъёма уровня воды перед ним, сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища. Водохозяйственное значение плотин многообразно: подъём уровня воды и увеличение глубин в верхнем бьефе благоприятствуют судоходству, лесосплаву, а также водозабору для нужд орошения и водоснабжения; сосредоточение напора у плотины 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. Плотина 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. Плотина обычно является основным сооружением гидроузла.

Тип и конструкция плотины определяются её размерами, назначением, а также природными условиями и видом основного строительного материала. По назначению различают плотины водохранилищные и плотины водоподъёмные (предназначенные лишь для повышения уровня верхнего бьефа). По величине напора плотины 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, плотина 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 плотины, различают земляные плотины, каменные плотины, бетонные плотины, деревянные плотины.

Земляная плотина возводится полностью или частично из малопроницаемого грунта. Уложенный по верховому откосу плотины, малопроницаемый грунт образует экран; при расположении такого грунта внутри тела плотины создаётся ядро. Наличие экрана или ядра обеспечивает возможность возведения остальной части плотины из проницаемого грунта или из каменных материалов (каменно-земляная плотина). У подошвы низового откоса земляной плотины для отвода воды, профильтровавшейся через тело и основание плотины, устраивают дренаж. Верховой откос плотины защищают от воздействия волн бетонными плитами или каменной наброской. При возведении земляной насыпной плотины грунт добывают в карьере экскаваторами, транспортируют к месту сооружения самосвалами, укладывают в тело плотины, разравнивают бульдозерами и уплотняют послойно катками. Возведение намывной плотины включает разработку грунта землесосами или гидромониторами, транспортировку пульпы по трубам и распределение её по поверхности возводимой плотины, после чего вода уходит, а оседающий грунт самоуплотняется. Для подготовки основания и возведения земляной плотины в русле реки её котлован ограждается перемычками, а река отводится по заранее проложенным временным водоводам, закрываемым после возведения плотины.

В каменной (набросной) плотине экран или центральный водонепроницаемый элемент (диафрагму) выполняют из железобетона, асфальта, дерева, металла, полимерных материалов. Требование малой водопроницаемости распространяется и на основание плотины. Если грунт основания проницаем на большую глубину, его покрывают перед плотиной понуром (например, из глины), образующим с экраном одно целое. Плотина с ядром дополняется устройством в основании стальной шпунтовой стенки или противофильтрационной завесы. Камень в каменнонабросную и каменно-земляную плотину отсыпается слоями большой высоты.

Бетонные плотины обычно классифицируют по конструктивному признаку в зависимости от условий работы на сдвиг; соответственно этому различают 3 основных типа плотин — гравитационные плотины, арочные плотины, контрфорсные плотины. Основным материалом для современных бетонных плотин (преимущественно гравитационных) служит гидротехнический бетон. Один из важнейших вопросов при возведении бетонных плотин — снижение фильтрации воды в основании. С этой целью в основании высокой бетонной плотины вблизи верховой грани устраивается противофильтрационная завеса. На остальном участке основание дренируется для уменьшения давления воды на подошву плотины, что повышает устойчивость сооружения. Гравитационная и контрфорсная плотины, во избежание образования трещин вследствие температурных колебаний, разрезаются по длине на короткие секции, швы между которыми перекрываются водонепроницаемыми уплотнениями. Для предотвращения появления трещин в результате усадки бетона при твердении и снижения температурных напряжений плотину 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 плотины. Бетонная плотина в русле реки обычно сооружается в 2 очереди под защитой ограждающих котлованы перемычек. При возведении первой очереди плотины река течёт по свободной части русла; при второй — через оставленные в плотине отверстия (прораны), которые закрывают по окончании всех строительных работ. Если русло реки узкое, бетонная плотина 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, основу которой 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 плотинами водосливная плотина сопрягается массивными устоями. Низконапорная бетонная водосливная плотина обычно строится с применением армирования, часто всего сооружения. Флютбет и быки такой плотины с целью экономии материала иногда делают облегчённой ячеистой конструкции, с заполнением ячеек грунтом.

В лесных районах часто сооружают низконапорные деревянные плотины свайной и ряжевой конструкции (обычно их устраивают водосливными).

Особый тип водоподпорного сооружения — разборная судоходная плотина. Для её возведения в летнюю межень на плоском флютбете устанавливают контрфорсы из стальных ферм, по ним прокладывают мосты, на которые опирают затворы простейшей конструкции. Плотина 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 плотину.

Арочная плотина — криволинейная в плане плотина, прочность которой обеспечивается в основном работой её как свода с передачей горизонтального давления воды почти полностью берегам или устоям. Арочные плотины сооружают преимущественно из бетона при наличии прочного (скального) основания и скалистых берегов. Арочные плотины могут быть глухими, т. е. без сброса воды, или водосбросными. В зависимости от отношения толщины b плотины понизу к её высоте h арочные плотины подразделяются на собственно арочные (b/h = 0,35) и гравитационно-арочные (b/h = 0,35—0,6). Толщина арочной плотины зависит от формы поперечного сечения долины в створе плотины (наиболее благоприятна близкая к треугольной, наименее — прямоугольная) и отношения ширины долины (В) на уровне гребня плотины к её высоте (B/h). Это отношение обычно изменяется от 0,5 до 3,5 (в некоторых случаях достигает 8 и более).

Кроме того, различают:

• Арочная плотина с защемленными пятами — арочная плотина, сопрягающаяся с берегами посредством глубокой врезки, заполняемой бетоном в распор. Глубина врезки составляет не менее половины толщины арки в месте опирания
• Арочная плотина с периметральным швом — арочная плотина, опирающаяся на седло, отделенная от плотины периметральным швом.
• Гравитационно-арочная плотина — криволинейная в плане плотина из бетона или каменной кладки, устойчивость и прочность которой обеспечивается (в основном) действием собственного веса и (частично) работой плотины как свода с передачей нагрузки на скальные берега. Гравитационно-арочная плотина является переходным типом между гравитационной и арочной плотиной.

Водосливная плотина, плотина для подъёма уровня воды в реке или создания водохранилища, допускающая перелив воды при пропуске излишних (паводковых) расходов по всей длине гребня или через водосливные отверстия. В зависимости от величины расхода и уровня воды перед плотиной открытие водосливных отверстий регулируется затворами. Водосливные отверстия могут быть использованы также для пропуска сплавляемого леса, льдин, наносов (при низком пороге), судов (при допускаемых скоростях течения). Промежуточные водосливные отверстия ограничены быками, а крайние — устоями, служащими, кроме того, и для сопряжения водосливной плотины с берегами или отдельными сооружениями гидроузла.

Гравитационная плотина, бетонная или каменная плотина, устойчивость которой по отношению к сдвигающим силам (давление воды, льда, волн и пр.) обеспечивается в основном силами трения по основанию, пропорциональными собственному весу плотины.

Гравитационная плотина — весьма распространённый тип плотин, применяемый как на скальных (Бухтарминская, Красноярская ГЭС), так и на нескальных (водосливные плотины волжских гидроузлов) грунтах. Наиболее экономичные формы очертания поперечного профиля гравитационной плотины близки к треугольнику или трапеции. Основной параметр гравитационной плотины — отношение толщины плотины по основанию к её высоте — зависит от характера грунта или пород основания и изменяется от 0,6 (скала) до 1,2 (глина). Наибольшая высота существующих гравитационных плотин (1970) 284 м (плотина Гран-Диксанс в Швейцарии).

Наличие значительного запаса прочности у гравитационных плотина позволяет облегчать их конструкции путём устройства широких температурных, осадочных швов (Братская ГЭС), пустот, заполняемых балластом, или без балласта (Боткинская ГЭС), продольных полостей и осуществления др. инженерных мероприятий, улучшающих условия работы плотин и уменьшающих их стоимость.

У деревянных плотин основные конструкции, воспринимающие нагрузку, выполнены из дерева преимущественно хвойных пород (сосна, ель). Деревянные плотины строятся для небольших напоров (2-4 м, реже 4-8 м), обычно водосливными; по конструкции флютбета они делятся на свайные, ряжевые, свайно-ряжевые и контрфорсные. Отверстия деревянных плотин ограничиваются береговыми устоями; при большой длине водосливного фронта он разделяется на несколько отверстий промежуточными опорами: быками, контрфорсами, стойками. Перекрываются отверстия деревянными щитами, обычно в несколько рядов по высоте. Для подъёма и опускания щитов служат простые подъёмники — вороты (стационарные или передвижные).

Железобетонная плотина сооружаются в основном из железобетона, обеспечивающего прочность конструкции. По условиям пропуска воды железобетонные плотины могут быть глухими (главным образом при высоких напорах) и водосбросными с поверхностными или глубинными отверстиями (при различных напорах). По конструктивному признаку различают железобетонные плотины гравитационные, контрфорсные и арочные. Железобетонная плотина гравитационного типа представляет собой ячеистую или ряжевую конструкцию, секции которой заполняются балластным грунтом. Вес грунта, а также устранение фильтрационного давления на подошву плотины (благодаря отсутствию сплошной фундаментной плиты) позволяют сэкономить значительную часть объёма бетона и обеспечивают устойчивость сооружения против сдвига. Контрфорсная железобетонная плотина выполняется в виде тонкостенной конструкции с небольшим объёмом железобетона. Недостающий для устойчивости плотины вес компенсируется весом воды над её напорным перекрытием (плоским или сводчатым), наклоненным к горизонту под углом 45-55°. Арочные железобетонные плотины сооружают редко; по сравнению с бетонными арочными плотинами они в ряде случаев менее экономичны вследствие значительного расхода стали.

Земляные плотины возводятся из грунтовых материалов (песчаных, суглинистых, глинистых и др.) и имеют в поперечном сечении трапецеидальную или близкую к ней форму. Земляные плотины сооружают, как правило, глухими (без перелива воды через гребень); простота устройства и эксплуатации способствовала их широкому распространению во многих странах. В зависимости от применяемых для тела плотины материалов и способов обеспечения водонепроницаемости различают 6 основных типов земляных плотин (из однородного грунта; из разнородных грунтов (с водонепроницаемой верховой призмой); с экраном из грунтового материала; с экраном из негрунтового материала (бетона, железобетона, металла и др); с ядром; с диафрагмой).

Земляные плотины можно строить практически на любых основаниях (кроме сильно разжиженных илистых грунтов). Водонепроницаемая часть плотины (экран, ядро, диафрагма) со скальным основанием обычно соединяется зубом или бетонной шпонкой, под которыми в трещиноватой породе устраивается противофильтрационная завеса. При нескальном основании, если водоупор (глина, скала) расположен на приемлемой глубине, водонепроницаемую часть плотины сопрягают с водоупором грунтовым зубом, шпунтовой стенкой или завесой. При глубоком залегании водоупора устраивают понур или висячие зуб и шпунтовую стенку.

Каменная плотина, плотина, основные конструктивные элементы которой выполнены из каменных материалов без применения вяжущих. В практике современного гидротехнического строительства различают каменные плотины каменно-набросные (насыпные), полунабросные, из каменной сухой кладки. Каменные плотины строят, как правило, глухими с пропуском воды через водосбросы в берегах, реже — в теле плотины. Основные материалы для тела каменных плотин: камень рваный (из карьеров), галька, гравий, щебенистые грунты. Камень для наброски и сухой кладки должен обладать достаточной прочностью и стойкостью против выветривания, действия мороза и разрушения фильтрационным потоком. Лучшие материалы для наброски — изверженные породы (гранит, сиенит, диорит, базальт и др.), из осадочных пород — плотные известняки и доломиты, кварциты. Существенное значение имеют размеры и формы камня, а также способы уплотнения наброски, влияющие на пустотность наброски, величину осадки тела плотины и крутизну откосов. В качестве основания для каменных плотин пригодны практически все виды скальных пород; из нескальных пород — гравелисто-галечные, крупнозернистые пески, глины и плотные суглинки.

Возможность использования местных материалов определяет экономичность каменных плотин, их широкое применение в различных географических районах.

Контрфорсная плотина, плотина, в которой давление воды верхнего бьефа, воспринимаемое напорным перекрытием (в виде плит, сводов и т. п.), передаётся контрфорсам и через последние — основанию. Контрфорсные плотины сооружают преимущественно из бетона и железобетона. Контрфорсы бывают двух типов: массивные (бетонные и бутобетонные) и тонкие (бетонные и железобетонные) сплошные или сквозные. Для обеспечения устойчивости тонких контрфорсов между ними располагают балки жёсткости (распорки), препятствующие выпучиванию (продольному изгибу) контрфорсов.

По типу напорного перекрытия различают: массивно-контрфорсные, выполняемые из бетона, с массивными консольными выступами (оголовками), примыкающими друг к другу и образующими напорное перекрытие; с плоскими перекрытиями из железобетонных плит; многоарочные (с арочными или сводчатыми бетонными и железобетонными перекрытиями; с перекрытиями двоякой кривизны, в частности типа купола (называются многокупольными).

Контрфорсные плотины строят как глухими, так и водосбросными. По сравнению с массивными гравитационными плотинами контрфорсные плотины (особенно многоарочные) дают экономию в бетоне и стоимости, достигающую 40% и более, в зависимости от конструкции и местных условий: высота их иногда превышает 100 м.