Для чего строят дамбы
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.
Дамбы (путевые, ирригационные, заграждающие, струенаправляющие, береговые)
На поймах рек и при пересечении русел рек с устройством искусственных сооружений откосы дамбы необходимо защищать не только от течения, но в зависимости от характера розлива и от действия волн.
Поэтому такие откосы необходимо укреплять: одиночной мостовой, мостовой в прикол (фиг. 2), двойной мостовой, камнем в плетневых клетках, дерновкой, фашиной, подпорной стенкой (фиг. 3), бетонными плитками (см. также Берегоукрепительные работы).
Когда дамбы служат обыкновенной дорогой, то ширина по верху делается до 5 м и более. Въезды на них или переезды никогда не врезаются в тело дамбы, а присыпаются к ней. Если на дороге имеется большое движение, то возможно устройство в дамбе специального проезда в виде особого шлюза, который на время высоких вод закрывается двумя рядами шандор с засыпкой пространства между ними землей или навозом. Шлюзы этим дают хорошо врезанные в дамбу устои и солидное основание во избежание протока воды через них или в местах соединения с дамбой.
При изысканиях необходимо тщательно собирать все гидрологические данные и производить бурение и шурфование местности. Особое внимание надо обращать на исследование в местностях, имеющих многочисленные подземные пустоты и поверхностные провалы, так как заполнение таких пустот, расположенных неглубоко от поверхности, и отвод поверхностных и грунтовых вод могут предупредить деформацию дамб.
На фиг. 6 показан поперечный разрез незатопляемой дамбы, шириной по верху 2,00 м, с внутренним откосом 1:1 1 /2 и внешним 1:1. Внутренний откос покрыт пучками фашин диаметром 0,20 м.
Между двумя последовательными пучками остается промежуток в 0,40 м, заполняемый растительной землей и прикрытый ветвями, которые скоро дают ростки и прочно защищают всю дамбу. На горной реке Арк было построено сначала земляное ядро дамбы, в 2,20 м шириной, покрытое с внутренней стороны каменной стеной, утолщающейся книзу и заложенной на 0,50 м ниже горизонта меженних вод. Ввиду того, что нижняя часть стенки сползла, был устроен пояс из бутовых камней, опущенный на 1,5 м ниже горизонта высоких вод.
Для определения очертания оградительных дамб можно пользоваться формулой инженера Бернадского:
Пользуясь этой формулой, можно создать условия полного примыкания пограничных струй потока к берегам, исключающего возможность образования вредных заводей и, следовательно, размыва дамбы. Повышение уровня высоких вод благодаря сужению русла дамбы можно определить по формуле:
Однако облесение склонов бассейна реки дает сравнительно ограниченный эффект, а устройство водохранилищ, собирающих паводковые воды, является предприятием очень дорогим и дающим экономический эффект только в связи с использованием водохранилищ для водной энергии или для орошения.
Река, благодаря ненадежному гравелистому руслу, постоянно повреждала луга во время разлива. Старое русло реки было закреплено с помощью затопляемых дамб, устроенных из нескольких рядов дубовых кольев, соединенных распорками и плетнем из ивы или ветлы. Промежутки между кольями заполнены крупной галькой из реки. Нижняя часть сооружения с наружной от реки стороны снабжена частым забором из ивовых ветвей, удерживаемых легким плетнем. Эти ветви задерживают отложения паводков, которые возвышают поверхность земли. Ветви разрастаются в ряд деревьев, которые своими корнями укрепляют берег.
Морские береговые дамбы требуют особо тщательного надзора в виду частых их прорывов. Для защиты гаваней, рейдов от ветра, наносов и ледохода устраивают также оградительные дамбы (см. Волнолом). На фиг. 13 и 14 приведены два типичных примера дамб, служащих для ограждения морских каналов и гаваней.
Струенаправляющие дамбы. Если река во время прохода высоких вод выходит из берегов, то при пересечении реки железнодорожным мостом на поемных берегах д. б. устроены струенаправляющие дамбы, имеющие обыкновенно в плане или грушевидное очертание (фиг. 15, а), с примыканием к насыпи в двух местах, или же вид одного или нескольких отростков (фиг. 15, в—e), в зависимости от силы течения и интенсивности стока весенних вод (при спаде).
В Средней Азии для обеспечения поступления воды в ирригационную систему туземного типа устраивается в русле реки продольная водораздельная дамба с приданием головной части канала, расположенного в реке, меньшего уклона, для того чтобы быстрее вывести канал из русла реки на поверхность орошаемой площади. Эта дамба устраивается каменная, фашинная, карабурная, из кольев с хворостом или сипайная, в зависимости от имеющегося поблизости строительного материала. Головной участок Дальверзинского канала на 6 км отделяется от реки Сыр-Дарьи каменной дамбой, местами даже в виде подпорной стенки из сухой кладки, заливаемой в паводок водами реки Сыр-Дарьи. При помощи струенаправляющих дамб регулируется работа как туземных, так и инженерных ирригационных головных сооружений. Эти дамбы устраивают в русле реки выше и ниже головного сооружения, обеспечивая поступление воды в головное сооружение в необходимом количестве при разных расходах источника орошения.
Струенаправляющая дамба устраивается с таким расчетом, чтобы уменьшить заиление около головного сооружения или отложение около него крупного и мелкого камня.
Особого внимания заслуживают сипайные струенаправляющие дамбы. Сипаи состоят из трех или четырех бревен, образующих правильную пирамиду, с устройством у ног сипая перекладины, которая по обрешетке из хвороста и соломы нагружается камнем и способствует опусканию всего сипая в землю (фиг. 17).
Соединение ряда таких сипаев создает основу для каменно-сипайной дамбы (фиг. 18), которая иногда устраивается в несколько рядов и в несколько ярусов.
Ирригационные дамбы. Особенное значение имеют дамбы для ирригационных каналов, сооружаемых б. ч. в полувыемке-полунасыпи; мелкая сеть идет почти целиком в насыпи. Несколько меньшее значение дамбы имеют в осушительной практике и в ирригации при осуществлении водосборной сети, так как в этих видах работ они применяются только для пересечения пониженных мест, логов. Магистральный ирригационный канал, пересекая пойму реки до выхода его на верхнюю береговую террасу, обыкновенно проходит в дамбе, которая, в виду опасности размыва от разлива реки, требует или специальных мер по регулированию реки или специального укрепления заливаемого откоса дамбы. При выходе на верхнюю террасу канал проходит в косогоре, и нижняя его часть является дамбой (фиг. 20).
Наивыгоднейшим сечение является в том случае, когда объем дамбы равен объему выемки. Обычно во избежание прорыва дамбы канал делается такого поперечного профиля, чтобы рабочее его сечение помещалось в выемке. При прохождении канала в полувыемке-полунасыпи сечение его м. б. с бермой или без бермы (фиг. 21).
Сечение канала в насыпи видно на фиг. 22.
Возвышение дамбы над горизонтом воды в канале устанавливается для больших каналов 0,6—0,8, для малых 0,5—0,7 м. В дамбах ирригационных каналов устраивают специальные места для водопоя скота путем поверхностного укрепления дамб и устройства специального пологого укрепленного мостового спуска к воде в канале.
Производство земляных работ. Для производства земляных работ по устройству дамб в Управлении водного хозяйства Средней Азии существуют следующие технические условия. В пределах возводимых дамб и насыпаемых площадок необходимо вырубить все кусты и деревья, выкорчевать пни и полученный от расчистки материал убрать за границу работ. Верхние слои почвы д. б. предварительно разрыхлены (вспаханы) или совсем удалены (последнее особенно необходимо при пухлых солонцах). Земля для возведения дамб должна быть из пород, по возможности трудно размываемых водой и задерживающих последнюю. Мерзлая земля и чистый песок для постройки дамб не допускаются. Если дамба запроектирована с внутренним ядром, то последнее по сделанной в основании траншее засыпается плотной глиной или плотной песчаноглинистой землей и выводится по всей высоте дамбы до проектного уровня высоких вод. Вся дамба насыпается слоями от 0,15 до 0,30 м, с тщательной утрамбовкой и поливкой каждого слоя и разбивкой комьев и оставшейся земли. На осадку насыпей и окружающего грунта высота насыпей должна быть увеличена на 5—10%, в зависимости от рода грунта и способа производства работ. Со стороны канала допускается оставление затопляемых бермочек шириной не более 0,50 м. Между дамбами (перемычками) и котлованами возводимых искусственных сооружений оставляется такой промежуток, чтобы при производстве каменной кладки в котлованах от давления насыпной дамбы не страдала устойчивость стен котлована и не выпиралось дно последних, а также не подвергалась опасности выводимая кладка. При устройстве небольших каналов, с расходом воды до 10 м 3 в сек., возведенная дамба замачивается, для каковой цели канал в некоторых местах перегораживается перемычками и затопляется водой на полную глубину почти до бровки дамбы; в таком положении вода должна оставаться в канале до того момента, когда дамбы, подправляемые все это время, перестанут оседать и давать прорывы. Замачивание дамб больших каналов, с расходом воды свыше 10 м 3 в сек., должно производить только с особого разрешения. При возведении каналов в насыпи с подсыпным дном или без него необходимо увеличивать высоту дамбы против проектной, в зависимости от рода грунта, до 25% на последующую осадку при нетрамбованных и до 10% при трамбованных дамбах. При возведении канала в полувыемке, в случае недостатка объема выемки на образование дамбы, необходимо закладывать наружные резервы с оставлением бермы позади дамбы. Ширина берм определяется расчетом на фильтрацию. Резервам надлежит придавать правильные продольный и поперечный уклоны, сохраняя прямолинейные очертания в плане и, по возможности, обеспечивая выход воды из них. Глубину резервов делают не более 0,5 м. По окончании насыпи дамбы горизонтальные площадки и откосы д. б. точно спланированы по установленным шаблонам и тщательно утрамбованы под будущую каменную одежду. В дополнение к этим требованиям, обязательным для всяких дамб, можно указать еще на следующие условия: при наличии бокового ската с водопроницаемым грунтом необходимо, во избежание сползания дамбы, подготовить основание уступами; при существовании заболоченности необходимо под дамбой устроить дренаж в виде дренажных каналов и труб или поглощающего колодца. Укрепление дамбы производится после ее осадки. Ил и тина ни при каких условиях для дамбы не употребляются.
Дамбы, спасающие от наводнения
Строение и назначение дамбы
Дамбы относятся к гидротехническим сооружениям, без которых сложно представить себе современную жизнь. Они построены повсеместно по рекам, озерам, морским берегам и служат надежной защитой от любых видов паводков или наводнений, защищая населенные пункты или производственные объекты от подтопления. Защитные дамбы – относят к гидротехническим сооружениям, возводимым в виде возвышений как препятствие разлива водных ресурсов. Несмотря на кажущуюся простоту строения, на деле это сложные конструкции, требующие глубоких инженерных знаний и строительных навыков.
Дамбы различаются в зависимости от их предназначения. К примеру, дамбы в больших городах или построенные для стратегически важных объектов, могут в высоту достигать нескольких метров, а в длину многих километров. Конечно, дамбы, постоенные для защиты мелких поселений, не отличаются особым размахом, однако и они являются сложными техническими сооружениями. Много внимания строители уделяют и материалам, обычно это железобетонные конструкции, природный камень, металлоконструкции, древесина, а в последнее время популярность набирает композитный шпунт.
Защитные дамбы
Защитные дамбы, возведенные из композитного шпунта, отличаются низкой себестоимостью проведения всего комплекса работ и высокой степенью надежности. Шпунт из композитного материала изготавливают способом инжекционной пултрузии, позволяющей получать высококачественный, армированный профиль из композитных материалов. Метод пултрузии подразумевает одновременное вытягивание и формообразование через особый вид насадки, разогретой до высоких температурных режимов. По эксплуатационным характеристикам композитный шпунт максимально приближен к изделиям из металла.
Основные преимущества защитных дамб их композитного шпунта:
Защитные дамбы, возведенные из композитных материалов, создаются из готовых отдельных элементов с идеальными показателями геометрии стыков, что позволяет создавать готовые конструкции абсолютно герметичными. Как показала практика, активное использование композитного шпунта при строительстве защитных дамб позволяет существенно снизить расходы, а в отдельных случаях даже боле чем на половину, а главное завершить все работы в три раза быстрее.
Другим существенным достоинством данной технологии считается возможность строительства дамб в самых сложных условиях независимо от метеоусловий. При строительстве защитной дамбы не нужно использовать тяжелую строительную технику, что так же способствует снижению общей себестоимости проведения строительных работ. Композитный шпунт относительно новый материал, однако он успел завоевать заслуженную популярность благодаря своим прекрасным эксплуатационным характеристикам.