Как работают плотины?
А над другой рекою -
Огромная плотина!
И где-то под волною
Работает турбина.
Колесо вода вращает
День за днём,
За часом час -
Так турбина добывает
Электричество для нас. (В. Суслов)
Плотины — это массивные гидротехнические сооружения, создающие преграду для естественного водотока с целью подъёма уровня воды. Гидроэлектростанции ПАО "ТГК-1" Мурманской области — это 23 бетонные плотины (включая водосбросные) и 49 сооружений (включая дамбы) из местных материалов. Давайте заглянем внутрь и узнаем, чем они отличаются.
С бетонными плотинами всё понятно: они изготовлены из бетона, усиленного арматурой. Попасть внутрь можно через специальные проёмы (двери, люки), которые переходят в галерею (потерну). Такие галереи нужны для контроля состояния бетона, сбора и отвода фильтрующейся воды, размещения контрольно-измерительной аппаратуры и различных коммуникаций. В летний период, когда температура наружного воздуха достигает +20... 25˚ С, в потерне можно ощутить прохладу после летнего зноя, так как температура здесь - всего около +10˚ С. Зимой же температура в галерее обычно не опускается ниже +5˚ С. Большая часть бетонных плотин приходится на Каскад Пазских ГЭС.
Основной плотин из местных материалов является все, что было «под рукой» у строителей. По сути, все они состоят из грунта, но в каждой есть что-то уникальное. Так, в составе плотины на регулирующем сооружении Пиренга и Нивы ГЭС–1 — камень и моренный грунт. Плотина на Нижне-Туломской ГЭС сделана из камня и пылеватых песков с супесью. Плотина на Серебрянской ГЭС–1 содержит камни и супесчаную морену. Остальные сооружения в основном однородные, из моренных грунтов. При этом верховой откос укреплён скальной наброской.
В некоторые плотины из местных материалов помещают противофильтрационные экраны (стенки). В плотине Серебрянской ГЭС–2, которая отсыпана из песчано-гравийного грунта, находится шпунтовая стенка. Это напоминает забор из профнастила, с обеих сторон засыпанный грунтом.
Плотины Верхне-Туломской ГЭС и Серебрянской ГЭС-1 имеют противофильтрационное ядро из уплотнённой морены. Обычно внутри грунтовой плотины не устраивают потерн, и попасть внутрь не удастся. Исключение — Серебрянская ГЭС–2, где со стороны нижнего бьефа в тело сооружения ведёт галерея.
С содержанием разобрались, в далее поговорим о форме, а также раскроем другие технические тонкости (и толстости) плотин.
Гравитация, контрфорсы, арки
Контрфорсные, арочные, гравитационные – все это разновидности бетонных плотин, прочных водонепроницаемых сооружений, которые выстоят под воздействием сильного мороза и агрессивной водной стихии. Их делают из специального гидротехнического бетона, который обеспечивает им такие характеристики.
У гравитационных плотин достаточно простая конструкция, благодаря которой они очень надежные. Они используются на крупнейших ГЭС мира – «Три Ущелья» (Китай), «Итайпу» (граница Бразилии и Парагвая), «Гури» (Венесуэла). Гравитационные плотины сопротивляются давлению воды со стороны водохранилища за счет своей массы. Недостаток – большой расход цемента, что повышает стоимость сооружения. Однако есть несколько способов сэкономить. Наиболее перспективным считается строительство плотин из малоцементных укатанных бетонов, которые также позволяют значительно ускорить возведение конструкции. В Мурманской области гравитационная плотина используется на Раякоски ГЭС ПАО «ТГК-1».
Конструкция контрфорсной плотины представляет собой отдельно установленные опоры (контрфорсы), пространство между которыми перекрыто плитами, консольными утолщениями, арками. Давление воды и наносов передается через контрфорсы на основание плотины. Такие конструкции на прочных скальных основаниях дешевле массивных гравитационных плотин на 15-35%. Но они гораздо сложнее в строительстве и более требовательны к качеству грунтов основания. Такие сооружения используются на Каскаде Пазских ГЭС ПАО «ТГК-1». Среди них плотина на Янискоски ГЭС.
Арочные плотины обычно сооружают при наличии прочного скального основания и скалистых берегов. Они могут быть глухими или водосбросными. Принцип действия таких конструкций отличается от других типов плотин. Гравитационные и контрфорсные давят на основание, а арочные переносят нагрузку на берега. Они могут быть даже специально отрезаны от основания особым швом-разрезом для разгрузки напряжений. Бетон в арочной плотине работает на сжатие, поэтому его прочность очень велика. Это значит, что такая плотина может быть удивительно тонкой. При высоте в сотню метров ее толщина может составлять всего 2-3 м. Экономия бетона при строительстве этого сооружения достигает 80% по сравнению с гравитационной плотиной. Но построить их можно не везде, ведь они предъявляют особые требования к ширине долины, ее форме и качеству пород.
Выбор типа плотин для строительства ГЭС происходит на стадии проектирования. Чтобы не ошибиться и предотвратить аварийные ситуации в будущем, нужно учесть много факторов. Прежде всего это топография местности и геологические особенности места установки сооружения. Например, на ГЭС ПАО «ТГК-1» есть только гравитационные и контрфорсные плотины, но нет арочных. Последние поражают своим изяществом, но в нашем регионе не применяются из-за особенностей ландшафта.