СТРИМ » Плотины / дамбы

Плотина - массивная перемычка, возводимая для удержания водного потока, основное гидротехническое сооружение при использовании и регулировании водных ресурсов. Уже в доисторические времена в Египте, Месопотамии и других районах обитания человека строились простейшие плотины в виде насыпей из земли и камней. На протяжении многих веков устройство плотин определялось соображениями, почерпнутыми только из практического опыта, и лишь в 1853 французский инженер Де Сазилли теоретически обосновал их конструктивные принципы.

Водосливные плотины возводятся, чтобы повысить уровень воды в реке или отвести водоток, что обычно необходимо при строительстве электростанций, для обеспечения судоходства или орошения земель. Глухими плотинами (без пропуска воды) перегораживают водоток и создают водохранилища, предназначенные для обеспечения городов водой или электроэнергией либо для ирригационных целей и т.п. У многих плотин этого типа верхняя часть устраивается так, что при необходимости может служить водосбросом. Плотина противодействует напору воды либо собственным весом (гравитационные плотины), либо своей конструкцией, силовые элементы которой обеспечивают устойчивость всего сооружения (арочные, контрфорсные плотины). Гравитационные плотины делают в виде каменной кладки, бетонных заграждений, земляного или скального (щебневого) заполнителя; другие плотины строят из бетона, железобетона, стальных конструкций или лесоматериалов.

На плотину воздействуют различные сдвигающие силы, обусловленные давлением воды, льда, наносов, ветра, ударами волн, силами тяготения, температурными перепадами, реакцией грунта. В некоторых местностях необходимо учитывать и возможность землетрясений. Недоучет каких-либо сил может привести к разрушению плотины вследствие сдвига ее основания или перегрузки ее конструктивных узлов. Горизонтальная составляющая давления воды возрастает с глубиной, будучи равной произведению wh, где h - глубина и w - вес единицы объема воды. Следовательно, суммарное гидростатическое давление на единичной длины элемент поперечного сечения тела плотины составляет 1/2 (wh2), а равнодействующая его вертикального распределения приложена на уровне трети высоты плотины. При расчете давления воды на плотину труднее всего определить фильтрационное давление, действующее на подошву сооружения вследствие того, что под него просачивается вода. Чтобы выяснить порядок величины таких сил, проводятся многочисленные исследования как на моделях плотин, так и в натурных условиях. Значения этих сил изменяются в зависимости от способности грунтового ложа пропускать воду. Если подушкой фундамента плотины служат галька, речной песок, пористая порода или какие-либо неплотные отложения, то давление на основание опорной призмы плотины будет равно полному гидростатическому напору. Когда же основание плотины скрепляется цементным раствором с монолитным скальным грунтом и раствор заполняет все его щели, то такое давление составляет сравнительно небольшую долю (10-40%) гидростатического напора. Уменьшение его вдоль подошвы плотины от верховой опорной призмы к низовой зависит от расстояния и сдвигающих сил и у бровки низового откоса плотины становится меньше напора в нижнем бьефе. Площадь подошвы плотины, на которую действует фильтрационное давление, меняется от полного ее значения (для плотин на песчаном и галечном грунте) до 0 (для плотин с добротным бетонным понуром на скальном грунте). Чтобы уменьшить влияние фильтрационного давления, делают дренажные и обводные пути для водных потоков, способных проникнуть под плотину. Основное воздействие волн на плотину проявляется в периодическом изменении глубины водной массы, соприкасающейся с плотиной, хотя при некоторых обстоятельствах напорная грань плотины может испытывать и мощные удары волн, обусловленные их кинетической энергией. Хорошее приближение к действительности дает формула Хоксли () зависимости высоты волны h от длины L ее "нагона" (в метрах), т.е. того расстояния, на котором волна набирает свою полную высоту. Давление льда на плотину определяется не вполне точно, но все-таки оно гораздо меньше тех сил, которые возникают из-за увеличения объема водохранилища перед плотиной. Практически приемлемая оценка давления льда составляет в среднем 210 кг/м2. Давление от ледяных масс можно уменьшить, продувая воздух через перфорированные трубы, уложенные перед плотиной на большой глубине. Воздушные пузыри, поднимаясь вверх, гонят более теплую воду к поверхности, и она препятствует образованию льда.