ruen

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».

Уходящая вдаль гравитационная плотина Раякоски ГЭС
Уходящая вдаль гравитационная плотина Раякоски ГЭС

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.

Самая высокая арочная плотина в России Чиркейская ГЭС
Самая высокая арочная плотина в России Чиркейская ГЭС

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.