Для чего люди строят плотины
Человек не просто дитя природы. Он старается изменить окружающую среду вокруг себя, сделать ее более комфортной для проживания. Этим он отличается от животных. С давних пор люди старались обуздать стихии, чтобы не зависеть от капризов природы и погоды. Так, они научились возводить плотины, чтобы вода для полива полей и водопоя животных была всегда. Это инженерное устройство помогает людям сохранять и рационально использовать как водные, так и земельные ресурсы, а также предотвращает разрушительные наводнения.
Что такое плотина?
Плотина – это преграда, сдерживающая или контролирующая водный поток. Благодаря им создаются искусственные водохранилища, в которых происходит накопление живительной жидкости, а затем ее расход по необходимости.
Помимо накопительных функций, плотина на реке может приносить и еще большую пользу, когда мощь водного потока приводит в действие электростанции, снабжающие города и населенные пункты электроэнергией. Люди за многие годы научились не только контролировать реки, но и вынуждать их работать на благо страны.
Сложное сооружение
Плотина – это сооружение гидротехническое, с различными функциями. При возведении каждого нового сооружения проводится предварительная работа, в результате которой производится экономическое обоснование, рассчитываются технические возможности будущего сооружения. Строительство плотины – сложный и трудозатратный процесс, который требует высокой квалификации рабочих как на этапе проектирования, так и при ее возведении и дальнейшей эксплуатации.
Виды плотин
Плотина – это сооружение, которое не возводится по единому образцу. Для каждого конкретного объекта требуются свои параметры и расчеты. Существует несколько видов плотин.
Сплошные железобетонные обладают практически неограниченным запасом прочности. Этот материал способен сдерживать мощнейшие потоки воды. Их еще называют гравитационными, потому что они удерживаются на поверхности земли за счет силы тяжести, прочно фиксирующей железобетон на месте. Эти плотины весьма дороги ведь они целиком состоят из указанного материала. Поэтому их возводят только на самых мощных реках и эксплуатируют очень длительное время.
Плотины из пустотелого железобетона намного дешевле сплошных. Их внутренности усиливают стальной арматурой различного сечения, чтобы повысить запас прочности.
Земляные сооружают из почвы, камней, песка, чтобы сдержать поток воды. Зачастую их возводят в местах разливов рек как временные преграды вокруг населенных пунктов.
Еще одна разновидность плотин – это дамбы и насыпи, которые должны предотвратить наводнения в случае повышения уровня воды в реках. Высота плотины зависит от ее технических характеристик. Земляные редко насыпают выше 15 метров, а вот железобетонные могут быть практически любой высоты, которой требует проект.
Исторические факты
Плотина – это сооружение мирное. Но в истории бывали случаи, когда подобные объекты использовались в военных целях. Нередко захватчики при осаде города перекрывали русло реки земляной плотиной, изменяя направление водного потока. Осажденные жители, истомившись от жажды, открывали ворота. Бывали и противоположные ситуации, когда с помощью плотины затапливали непокорный городишко. Немало таких сооружений было взорвано во время Второй мировой, чтобы фашисты не могли пройти вглубь страны.
Кстати, по одной из версий историков, не найденная могила Чингисхана также покоится на дне реки, поэтому ее поиски так затянулись. Возведение дамб – прием, который часто применял этот могущественный завоеватель.
Современные плотины выполняют зачастую сразу три функции – защищают от паводков, позволяют накапливать запасы воды и помогают производить электричество.
ПОЧЕМУчка
Плотины часто строят для того, чтобы создать водохранилища, сделать запас воды для общего пользования и для сельскохозяйственных нужд. Когда поперек реки возводят плотину, вода часто разливается, образуя в речной долине озеро или резервуар. Эту воду впоследствии можно использовать для различных нужд – например для того, чтобы предотвратить неурожай сельскохозяйственных культур в засушливые периоды.
Сегодня очень много плотин строят для вырабатывания электричества. Для гидроэлектростанций плотины строят очень высокими, чтобы создать большую разницу высот уровня воды перед плотиной и позади нее. Поднявшаяся вода позади плотины проходит через шлюзовые ворота в ее стене, которые дают возможность воде падать вниз в реку. Когда вода падает вниз, она проходит через огромные лопасти гидротурбин. Турбины при¬водят в действие генераторы, вырабатывающие электричество. Одна из самых больших и мощных плотин в мире – плотина Гувер, расположенная в США на реке Колорадо между штатами Невада и Аризона. Она была построена в 1930-х годах.
Высота этой плотины составляет 221 м, а длина 379 м. Ее водохранилище (Лейк Мид) – самое большое в мире. Оно поставляет воду в несколько штатов, и благодаря этой воде процветают огромные территории с природным засушливым климатом в штатах Южная Калифорния, Аризона и Мехико. Многие современные плотины выполняют одновременно все три задачи – защита от наводнений, накопление запасов воды (водохранилища) и производство электрической энергии (на гидроэлектростанциях).
Как устроена плотина и как она возводится
Одной из самых важных составляющих любой промышленной экономики являются электростанции, с помощью таких станций экономика обеспечивается электроэнергией. Во многих странах большое распространение получили гидроэлектростанции, или ГЭС, это те страны, которые имеют большой водный ресурс, в частности — реки. Обычно такие станции называются плотинами, состоят из специальных бетонированных дамб и целого комплекса сооружений, в которых размещается оборудование, с помощью которого «извлекается» электроэнергия из водяного потока, проходящего через дамбы. Следует хотя бы в общих чертах рассмотреть работу таких ГЭС и понять, по каким принципам они строятся.
Как работают плотины
Итак, плотины, или, что точнее, гидроэлектростанции — это гидротехнические сооружения, с помощью которых вырабатывается электрическая энергия в больших количествах. При этом используется энергия масс падающей воды, предварительно накопленной в сопутствующих плотинам водохранилищах. Преобразователем энергии кинетической в механическую является турбина, от которой физические усилия передаются на электрический генератор, который уже, в свою очередь, преобразует эту энергию в электричество.
Однако классификация ГЭС весьма обширна. Существуют не только гигантские станции, каждая из которых способна обеспечить электроэнергией миллионы людей и даже целые промышленные районы. Достаточно широко распространены совсем небольшие плотины, так называемые «микро-гидроэлектростанции», которые используются в основном для питания электроэнергией каких-нибудь небольших предприятий, или же всего нескольких жилых домов.
С точки зрения гражданского строительства, типичная плотина представляет собой стену, выполненную из твердого материала, перегораживающую реку так, чтобы блокировать ее поток и накопить массу воды. Основной целью большинства плотин является создание постоянного резервуара воды для последующего ее использования. Плотина должна быть водонепроницаемой, чтобы вода не вытекала через плотину без всякой пользы, нарушая гидрологический режим расположенной ниже по течению части реки и не являлась причиной затопления территорий. Поэтому существенной частью плотины является специальная «непроницаемая мембрана», то есть водонепроницаемая часть плотины, которая предотвращает утечку воды.
Однако плотина должна быть не только водонепроницаемой, но и устойчивой. Естественный земляной вал или каменный утес, с опорой на которые запруда построена (так называемые учредительство запруды) должны также быть водонепроницаемыми. Также должна хорошо держать массы запруженной воды и долина реки выше по течению, в которой резервуар хранения формируется. Если эти природные зоны не являются водонепроницаемыми, то вода может вытекать из резервуара, даже если сама плотина водонепроницаема. Утечка воды может происходить через естественные полости земли (пещеры, разломы скал), поэтому перед устройством плотины вся местность хорошо исследуется с применением самых современных средств геологической диагностики.
Устойчивость самой плотины достигается с помощью максимального упрочнения ее стен. Плотина должна противостоять не только давлению воды, собранной в озере выше по течению, но и собственному весу, особенно если, по крайней мере, часть стены плотины насыщена водой. Чем выше плотина, тем больше глубина водохранилища за плотиной, и тем больше давление воды на подводную часть стены дамбы. Также плотина должна противостоять другим силам, которым она может время от времени подвергаться, например, тряске от землетрясений. Угроза, которую землетрясения представляют для плотин, широко варьируется в зависимости от региона мира, в котором находится плотина. Поэтому при проектировании любых плотин в обязательном порядке к изысканиям подключаются и опытные специалисты-сейсмологи.
Для того чтобы вода из водохранилища не перетекала через верхний край дамбы в случае ее переизбытка, плотина должна иметь некоторый путь для выпуска «лишней» воды в контролируемом количестве по мере необходимости. В зависимости от назначения плотины вода может быть выпущена в трубопровод для снабжения города водой, или на ГЭС для получения электроэнергии, или просто производится выпуск излишка воды в русло реки без всякого использования, только лишь с целью снижения избыточного давления.
Если во время весеннего наводнения река, на которой построена плотина, переполнится, в водохранилище будет поступать очень большой объем паводковой воды. Обычно это намного больше воды, чем можно выпустить через клапан выхода. Поэтому плотина должна иметь некоторые средства, с помощью которых эти большие объемы паводковой воды могут течь вокруг плотины, не нанося ущерба самой плотине; а также территориям, расположенным ниже по течению. Для этого используется специальный водосброс, который в большинстве случаев представляет собой открытый прорезной канал, достаточно большой, чтобы направлять паводковые воды вокруг плотины. Если плотина построена из бетона, водосброс может быть частью самой стены плотины. Однако если плотина земляная, или ее тело состоит из каменной засыпки (грунт и разрушенная порода), водосброс должен быть отдельным сооружением. Дело в том, что паводковые воды не могут течь поверх насыпной плотины, не разрушая ее, так как неконтролируемый водный поток имеет очень большую мощность, а земля или каменная засыпка не могут ей противостоять в должной мере.
Строительство плотины
Для того чтобы построить плотину, инженеры должны сперва осушить часть реки, на которой они хотят разместить дамбу. Обычно это достигается путем отвода реки через тоннель, то есть нужно изменить русло реки, чтобы построить в намеченном месте прочное основание дамбы. Тоннель строится через одну сторону реки вокруг планируемой строительной площадки. Сначала бурится ряд отверстий в скале, взрывчатые вещества помещаются в буровые скважины, разрушенная порода удаляется. Эта процедура повторяется столько раз, сколько необходимо для завершения постройки тоннеля. Готовые водоотводные туннели часто облицовываются бетоном. Если же река равнинная, то просто роется обводной канал, который впоследствии легко перекрыть.
Обычно работы по отводу реки начинаются летом, когда уровень воды в ней самый низкий. Землеройное оборудование используется для того, чтобы построить малую запруду (коффердам) перед площадкой основной конструкции. Это действует как барьер для реки и заставляет ее течь в проделанный туннель. Другой коффердам строится ниже по течению от основной конструкции, он необходим для того, чтобы предотвратить обратный поток воды в район строительства. Вся вода, которая все же просачивается через коффердамы, активно откачивается специальными водяными насосами.
Водоотводные туннели не всегда необходимы при строительстве бетонных плотин. Иногда река просто направляется через большую трубу и плотину, построенную вокруг нее.
Методы строительства, используемые при строительстве плотины, зависят от типа строящейся плотины. Первый этап строительства включает удаление всех оставшихся после отвода реки скальных образований. Скалы взрываются, их остатки в виде щебня впоследствии можно использовать для строительных работ.
Строительство водохранилища – это один из самых ответственных этапов строительства всей ГЭС. Дно этой гигантской запруды должно быть хорошо проверено на наличие природных трещин, через которые могла бы уходить вода. Если трещины имеются, они расширяются бурением и в них под высоким давлением закачивается специальный водостойкий цементный раствор. В ряде случаев, особенно если плотина строится на равнинной реке, дно хорошо бетонируется, причем перед армированием основного массива покрытия производится подбетонка природной поверхности. Чтобы вода не просачивалась в породу по краям плотины, необходимо устраивать специальные бетонные плинтуса.
При строительстве плотины также возводятся и сопутствующие сооружения, главным из которых является здание самой электростанции, где размещаются генераторы. Сами турбины находятся в теле плотины. После полного завершения всего строительства водозаборный тоннель закрывается, и озеро начинает заполняться водой. Закрытие водоотводного туннеля осуществляется в два этапа. Во время низкой подачи большой многоразовый стальной строб опускается через вход. Обходной тоннель после этого преграждается бетонной пробкой. В некоторых дамбах водоотводные выходы устроены по типу штепсельных вилок, чтобы в случае экстренной ситуации воду можно было быстро выпустить.
Видео как работает плотина
Заключение
Любая плотина, даже небольшая, требует не только выполнения очень большого объема земляных и взрывных работ, но и привлечения самых высококвалифицированных специалистов. Также необходима специальная техника в большом количестве, но самое главное – требуются проверенные временем технологии сооружения таких станций, которые имеются только в экономически развитых странах.
Что такое водохранилища и зачем их строят?
Водные богатства, которыми столь обильна наша страна, распределены по её территории не слишком равномерно.
В некоторых местностях наблюдается избыток водных ресурсов, в других же, наоборот, ощущается постоянный недостаток пресной воды. Но особенно чувствительными для хозяйственной деятельности являются сезонные колебания уровня рек. Чтобы снизить их влияние и сделать речной сток более равномерным, в предыдущем столетии была создана обширная сеть водохранилищ – искусственных водоёмов различной вместимости.
Что такое водохранилище?
Как понятно из названия, водохранилище – это искусственное сооружение, специально предназначенное для хранения воды. По своему размеру оно вполне сравнимо с крупным или средним озером: подавляющее большинство водохранилищ вмещают более миллиона кубометров воды, а крупнейшие из них имеют объём, превышающий 500 миллионов кубометров.
Они создаются, как правило, в речных долинах путём перегораживания русла реки плотиной. Существуют, кроме того, водохранилища озёрного типа, когда избыток воды сбрасывается в озеро, а затем по мере необходимости поступает оттуда в речную систему или систему каналов.
Вода, находящаяся в водохранилище, не пребывает в полной неподвижности, как в озере, и сохраняет поступательное движение речного течения, однако оно существенно замедлено по сравнению с рекой. Кроме того, для водоёмов этого типа характерными являются:
– значительные сезонные колебания уровня воды, который повышается весной и осенью, постепенно снижаясь в течение зимнего и летнего сезонов;
– более холодная вода, чем в озёрах, из-за непрекращающегося течения;
– замерзание мелких водохранилищ раньше, а крупных – позже рек, причём таяние льда наблюдается позже, чем у рек, и в тех, и в других случаях;
– содержание в воде большего количества растворённых минеральных веществ, чем в речной.
Помимо чаши, в состав любого водохранилища обязательно входит дамба (плотина), которая устанавливается поперёк течения реки, а также станция очистки воды. Глубина дна возле дамбы, как правило, намного больше, чем возле противоположного дамбе берега.
Для чего нужны водохранилища?
В настоящее время водохранилища существуют во многих странах мира и на всех континентах, кроме Австралии.
Необходимость в них вызвана сезонными колебаниями уровня речной воды. В нашей стране во время весеннего половодья по руслам рек протекает, в зависимости от региона, до 70% общегодового стока речных вод.
В зимнюю и летнюю межень, напротив, ощущается резкий недостаток воды в реке, причём именно тогда, когда она необходима. Строительство водохранилищ позволило решить эту проблему: избыточная вода аккумулируется в водохранилище, а затем постепенно сбрасывается в реку, чем поддерживается её более-менее постоянный уровень.
Наличие водохранилищ оказывает позитивное влияние на хозяйственную деятельность человека. С их помощью:
– снижается риск наводнений, затопления жилых домов, сельхозугодий, промышленных предприятий и т.д.;
– улучшаются условия для плавания речного транспорта, появляется возможность эксплуатации крупных глубоководных судов, более рентабельных, чем мелкие;
– создаются каскады гидроэлектростанций для выработки дешёвой электроэнергии без загрязнения среды;
– создаются рыбоводческие хозяйства для разведения ценных пород речной рыбы;
– увеличивается пространство рекреационных зон.
В то же время существуют и негативные стороны создания водохранилищ, которые выражаются в нарушении сложившихся экосистем, затоплении большого количества пахотных земель, иногда даже с населёнными пунктами, из-за чего приходится переселять людей, в заболачивании территорий, расположенных выше плотины по течению реки и т.д.
Водохранилища: история и современность
Необходимость в строительстве водохранилищ человечество испытывало с тех пор, как вокруг оседлых поселений хлебопашцев начали складываться первые государства. Небольшие водохранилища существовали ещё в Древнем Египте: в них земледельцы запасали воду во время разлива Нила, а затем понемногу расходовали для орошения земель. Водохранилища существовали в древних Китае и Индии, а затем в средневековой Европе. Но лишь с приходом века пара и электричества энергию течения рек стали использовать в промышленном производстве.
Наибольшее число водохранилищ, существующих в настоящее время, были построены в 50-60-е годы ХХ века. Их сооружение продолжалось и позже, но уже не так активно. Сегодня во всём мире существует около 30 000 водохранилищ, общий объём воды в которых достигает 6 000 кубических километров.
В хозяйственной деятельности используется порядка 3500 кубических километров воды – количество, примерно равное десятой доле суммарного годового стока всех рек мира. При этом затоплению подверглись территории общей площадью до 350 000 квадратных километров.
Бобр добр? Развеиваем мифы о грозных строителях плотин
Владения на островках
Бобры очень чистоплотны: убирают жилье, чистят и расчесывают мех. Выделения из сальных желез не дают им промокнуть и замерзнуть даже в ледяной воде. Границы метят бобровой струей, нанося ее на холмики из грязи, ила, веток вместе с секретом жировиков. Он несет информацию о владельце (пол, возраст) и, испаряясь медленнее, надолго сохраняет метку.
Строить запруду выходят все члены семьи. Работают без чертежей и в темноте, но все делают на совесть, без спешки. Строят плотины ниже хаток, регулируя уровень воды, чтобы входы не промерзли, не осушились. Втыкают в дно ветви и стволы, иногда упавшее в реку дерево. Укрепляют промежутки ветками, тростником, илом, глиной, камнями весом до 15-18 кг. В среднем на постройку 10 м у семьи уходит около недели, а восстановить плотину могут за ночь!
В итоге к XX веку бобров в мире осталось не более 1200. Благодаря запрету на охоту к 1998 году их численность в Европе и России оценивалась уже в 430 тысяч.
Изображения бобров есть на гербах, монетах и марках разных стран Европы. В честь их названы города, местности, населенные пункты, реки. И даже сорт огурцов и марка пива. Установлены памятники в Бобруйске, Боброве (Воронежская область). Скульптура бобрам есть в Альпийском зоопарке (Инсбрук, Австрия).