Мир плотин: вода и камень

Борис Марцинкевич

12 сентября 2017 г. 18:15:03

В одной из преды­ду­щих наших статей, мы начали наше зна­ком­ство с гид­ро­элек­тро­стан­ци­я­ми из ма­те­ри­а­ла, ка­че­ство ко­то­ро­го не вы­зы­ва­ет ни­ка­ких со­мне­ний в том, что он спо­со­бен де­ся­ти­ле­ти­я­ми вы­дер­жи­вать напор воды – из бетона. Но его гид­ро­стро­и­те­ли ис­поль­зу­ют далеко не всегда, по­сколь­ку за­тра­ты, инев­сти­ции в него тре­бу­ют­ся очень се­рьез­ные.

При­хо­дит­ся на­чи­нать стро­и­тель­ство с воз­ве­де­ния бе­тон­но­го завода, везти к нему ма­те­ри­а­лы, вре­мен­ные линии элек­тро­пе­ре­дач и много чего еще. Дорого, хло­пот­но, вре­ме­ни от­ни­ма­ет больше, чем даже воз­ве­де­ние нефран­цуз­ских АЭС. Да, бывают усло­вия, когда по-дру­го­му никак, но усло­вия бывают раз­ны­ми, иногда они поз­во­ля­ют обой­тись и ма­те­ри­а­лом по­про­ще.1

Многие ли из нас видели вблизи пло­ти­ны ГЭС, сде­лан­ные из камня? Ну, вот, к при­ме­ру, ГЭС, сто­я­щая на Ангаре – Бо­гу­чан­ская, у ко­то­рой обе части, при­мы­ка­ю­щие к бе­ре­гам, сде­ла­ны из камня.

Стро­и­тель­ство Бо­гу­чан­ской ГЭС (вид с ниж­не­го бьефа, май 2011 года), Фото: wikimedia.org

Что, дав­нень­ко не ка­та­лись в го­ро­док Ко­динск? Ну, тогда вспом­ним зимние ре­пор­та­жи из США, с пло­ти­ны Оро­вилл, к ко­то­рым стоит при­смот­реть­ся по­вни­ма­тель­нее. Точно такая же кон­струк­ция – от бе­ре­гов сплош­ной камень, и только в центре, где ра­бо­та­ют ме­ха­низ­мы ГЭС – бетон.1

Пло­ти­на Оро­вилл (США), Фото: imgix.​net

Да, ка­мен­ные пло­ти­ны за­ча­стую тоже гра­ви­та­ци­он­ные – они пре­пят­ству­ют напору воды своим ги­гант­ским весом, но воз­ни­ка­ет про­стой, «дет­ский» вопрос. Какие бывают пло­ти­ны, кроме гра­ви­та­ци­он­ных, мы еще обя­за­тель­но рас­ска­жем, это ведь далеко не по­след­нее зна­ком­ство с миром гид­ро­энер­ге­ти­ки. А почему вода сквозь камни не бежит, не про­те­ка­ет? Камни в реке вы уж точно все видели – обо­гну­ла его река, да и по­бе­жа­ла дальше. На­ки­да­ли кучу, гору камней – вода, ко­то­рая, как все мы знаем, камень точит, должна бежать сквозь нее. Но пло­ти­ны, на­бро­сан­ные из камня стоят де­сят­ки лет, во­до­хра­ни­ли­ща по­кор­ны им – ко­неч­но, если за пло­ти­на­ми при­смат­ри­ва­ют и под­дер­жи­ва­ют их в по­ряд­ке. Где спря­та­на глав­ная хит­рость, каким таким спо­со­бом камень удер­жи­ва­ет воду?

Несколь­ко хит­ро­стей и чу­точ­ку тер­ми­но­ло­гии

Какие работы тре­бу­ют­ся для того, чтобы оста­но­вить те­че­ние реки при помощи пло­ти­ны, журнал Гео­энер­ге­ти­ка уже рас­ска­зы­вал. Этот по­ря­док неиз­ме­нен и в случае ка­мен­ной пло­ти­ны – пер­вич­ные пе­ре­мыч­ки и кот­ло­ван, потом пе­ре­мыч­ки и кот­ло­ван второй оче­ре­ди. Прин­цип не нами изоб­ре­тен, ему в бук­валь­ном смысле «тыщу лет в обед», но ни­ка­ко­го дру­го­го спо­со­ба просто нет. Но с ка­мен­ны­ми пло­ти­на­ми «хит­рить», ко­неч­но, при­хо­дит­ся – иначе вода дей­стви­тель­но за­жур­чит сквозь них. Хит­ро­стей не так мало, но раз­бе­рем­ся с ними по оче­ре­ди.

Начнем с того, что далеко не всякие камни го­дят­ся для воз­ве­де­ния плотин. Вода, да еще под дав­ле­ни­ем, ко­то­рое обес­пе­чи­ва­ет во­до­хра­ни­ли­ще, на­кла­ды­ва­ет до­воль­но жест­кие огра­ни­че­ния. Галька, щебень, гравий и то, что гид­ро­стро­и­те­ли на­зы­ва­ют «рваным ма­те­ри­а­лом» – до­бы­тый из ка­рье­ров ба­зальт, гранит, до­ло­мит, квар­цит. Нет, стоп, дальше в «породы» камня не по­ле­зем, все же­ла­ю­щие могут найти со­от­вет­ству­ю­щие раз­де­лы в учеб­ни­ках по гео­ло­гии. В общем, камень найти можно, и далеко не все реки имеют на­столь­ко стре­ми­тель­ное те­че­ние, чтобы оста­но­вить их мог только бетон. Но, ко­неч­но, для про­ек­ти­ров­щи­ков гид­ро­со­ору­же­ний найти места, где и залежи камня есть, и пе­ре­го­ро­дить реку будет удобно – сплош­ная го­лов­ная боль, но, как вы по­ни­ма­е­те, есть такие «ком­плек­ты» на реках. На­хо­дит тот, кто ищет.

Во­до­хра­ни­ли­ще – это всегда много воды, а она тя­же­лая и весьма мощно давит на грунт, пы­та­ясь про­со­чить­ся сквозь него и уйти под ос­но­ва­ние пло­ти­ны. В случае ка­мен­но-на­брос­ных плотин в верх­нем бьефе (часть во­до­хра­ни­ли­ща, при­мы­ка­ю­щая к пло­тине в верх­нем те­че­нии) при­хо­дит­ся ра­бо­тать с дном бу­ду­ще­го во­до­хра­ни­ли­ща, обу­стра­и­вая на нем так на­зы­ва­е­мый «понур». Это во­до­не­про­ни­ца­е­мое по­кры­тие, ко­то­рое за­став­ля­ет воду филь­тро­вать­ся под ос­но­ва­ние пло­ти­ны на участ­ке как можно боль­шей длины. Понуры бывают жест­кие – в виде же­ле­зо­бе­тон­ных плит с литой гид­ро­изо­ля­ци­ей, ко­то­рые ис­поль­зу­ют в случае гли­ни­сто­го дна. Понуры бывают гибкие – из ас­фаль­та, гли­ни­сто­го грунта, по­ли­мер­ных ма­те­ри­а­лов, ко­то­рые можно ис­поль­зо­вать на пес­ча­ном грунте. Гибкие понуры, ко­неч­но, при­сы­па­ют-при­гру­жа­ют сверху слоем грунта, чтобы их по­про­сту не смыло.

Схема во­до­слыв­ной пло­ти­ны на нескаль­ном ос­но­ва­нии, Рис.: konspekta.net

Ладно, понур при­ду­ма­ли-со­ору­ди­ли. Что мы еще про камень помним? Да то, к при­ме­ру, что он, сва­лен­ный в кучу, но­ро­вит об­сы­пать­ся вниз. Если тело пло­ти­ны начнет ру­шить­ся в сто­ро­ну во­до­хра­ни­ли­ща или в нижний бьеф – это ка­та­стро­фа, это потоп и просто ужас. Надо преду­смот­реть, чтобы такого не про­изо­шло? Без­услов­но. Оче­ред­ная хит­рость – ни­зо­вые и вер­хо­вые упор­ные призмы. Почему «ни­зо­вые» и «вер­хо­вые», оче­вид­но из на­зва­ния – они обу­стра­и­ва­ют­ся либо в нижней, либо в верх­ней части бьефа. А вот что такое «упор­ная призма», проще всего понять, при­пом­нив курс школь­ной гео­мет­рии. Вот она, призма-то.

Вспом­ни­ли? Если такую призму со­ору­дить на дне бьефа, сделав ее из ма­те­ри­а­ла более проч­но­го, чем ма­те­ри­ал пло­ти­ны, да как сле­ду­ет за­кре­пить при помощи бе­тон­ных зубьев – камням из пло­ти­ны «сте­кать» некуда, все в по­ряд­ке.

Вообще, если срав­ни­вать энер­ге­ти­ку атом­ную и гид­ро­энер­ге­ти­ку, то вторая куда как проще для по­ни­ма­ния. Ни­ка­ких ядер атомов с элек­тро­на­ми, все ос­но­ва­но на зна­ни­ях вполне тра­ди­ци­он­ных, для по­ни­ма­ния ко­то­рых до­ста­точ­но жи­тей­ской логики. И она, жи­тей­ская логика, под­ска­зы­ва­ет: если стро­ит­ся пло­ти­на боль­шой высоты, упор­ная призма, ко­то­рая стоит в самом низу, у ос­но­ва­ния пло­ти­ны, со своей функ­ци­ей, с пред­на­зна­че­ни­ем, может и не спра­вить­ся. Нач­нет­ся обвал в самой верх­ней части и просто за­ва­лит эту самую упор­ную призму, вот и все. Потому ма­сте­ра плотин еще в старые вре­ме­на при­ду­ма­ли еще одну хит­рость, да еще и на­зва­ли ее не очень просто – контр­бан­кет. Не очень удоб­ное слово, но уж какое есть, в каждой от­рас­ли ин­же­нер­ных наук всегда име­ет­ся соб­ствен­ная тер­ми­но­ло­гия. Не иначе, как спе­ци­аль­но при­ду­мы­ва­ют, чтобы про­сто­го че­ло­ве­ка с толку сбить и в его глазах волх­ва­ми по­ка­зать­ся, зна­ю­щи­ми какие-то неве­ро­ят­ные за­кли­на­ния. А, на самом деле, контр­бан­кет – штука про­стая, ничего хит­ро­го.

Ка­мен­но-на­брос­ная пло­ти­на и ас­фаль­то­бе­тон­ная диа­фраг­ма Бо­гу­чан­ской ГЭС, Фото: rushydro.ru

Вот эти го­ри­зон­таль­ные свет­ло­ко­рич­не­вые «сту­пе­неч­ки» и есть те самые контр­бан­ке­ты. Склон сделан не сплош­ным, а вот такими сту­пень­ка­ми не просто умыш­лен­но, а на ос­но­ва­нии весьма стро­гих рас­че­тов – где его делать и какой ширины, чтобы откос пло­ти­ны ни при каких об­сто­я­тель­ствах не стал «сте­кать» вниз. Чем выше пло­ти­на – тем больше при­хо­дит­ся обу­стра­и­вать таких контр­бан­ке­тов, что тоже со­вер­шен­но ло­гич­но.

Диа­фраг­ма

Ой, мы еще и ри­су­нок нашли такой, на ко­то­ром видна «глав­ная хит­рость» ка­мен­ных плотин, и ни­ка­кой ин­три­ги не оста­лось… Ну, бывают и у Гео­энер­ге­ти­ки ошибки, не по­лу­чи­лось вот со­хра­нить та­ин­ствен­ность и за­га­доч­ность. Вот боль­ши­ми крас­ны­ми бук­ва­ми вся тайна и выдана – в се­ре­дине пло­ти­ны спря­та­на диа­фраг­ма, вер­ти­каль­ная стена из во­до­не­про­ни­ца­е­мо­го ма­те­ри­а­ла. На ри­сун­ке она ас­фаль­то­бе­тон­ная, но ис­поль­зу­ют­ся и другие ма­те­ри­а­лы. Из этого ри­сун­ка видно, что диа­фраг­ма не очень тол­стая, а уж на фоне тол­щи­ны пло­ти­ны она смот­рит­ся и вовсе ми­ни­а­тюр­нень­ко. Ну, соб­ствен­но говоря, она потому и на­зы­ва­ет­ся «диа­фраг­ма», а не «тол­стен­ная стенка» – хит­ро­сти у стро­и­те­лей плотин весьма про­зрач­ные.

Ка­мен­ные пло­ти­ны бывают, ко­неч­но, не только с диа­фраг­ма­ми, но и с экра­на­ми, но про них рас­ска­зы­вать – это вообще без ин­три­ги остать­ся, по­сколь­ку экран это по­про­сту бе­тон­ные плиты, ко­то­рые при­кры­ва­ют откосы пло­ти­ны. Ко­неч­но, с со­от­вет­ству­ю­щей гид­ро­изо­ля­ци­ей и вы­со­чай­ше­го ка­че­ства, но рас­ска­зы­вать про них осо­бо­го смысла нет, с ними и так все по­нят­но. Если по­смот­реть на чертеж вни­ма­тель­но, ста­но­вит­ся по­нят­но, зачем в преды­ду­щих наших рас­ска­зах про пло­ти­ны ГЭС мы по­дроб­но рас­ска­зы­ва­ли, что такое це­мент­ная завеса – чтобы сейчас ни слова не го­во­рить, по­сколь­ку чи­та­тель Гео­энер­ге­ти­ки с каждой ста­тьей ста­но­вит­ся умнее и куль­тур­нее. Мы ведь помним, что живя в эпоху про­мыш­лен­ной ре­во­лю­ции, куль­ту­ра – это еще и знание основ глав­ных тех­но­ло­гий. Разве можно не знать, как «ра­бо­та­ет» пло­ти­на и счи­тать себя куль­тур­ным че­ло­ве­ком и даже, не по­бо­им­ся этого слова, ин­тел­ли­ген­том? Ни в коем случае!

Снай­пе­ры на са­мо­сва­лах

Ка­мен­ные пло­ти­ны бывают на­брос­ны­ми и из сухой кладки, но и про кладку рас­ска­зы­вать ничего не будем – кладут гид­ро­стро­и­те­ли камни и кладут, безо вся­ко­го це­мент­но­го рас­тво­ра, зато ак­ку­рат­но. Но на­брос­ные ка­мен­ные пло­ти­ны поз­во­ля­ют эко­но­мить – ка­мен­щи­ки, ко­то­рые еще и не сразу по­ни­ма­ют, как можно клад­кой без рас­тво­ра за­ни­мать­ся, зар­пла­ту хотят по­лу­чать, да и, с учетом гран­ди­оз­но­сти по­доб­но­го рода строек, таких спе­ци­а­ли­стов надо много, жилье им надо обу­стра­и­вать и так далее. На­бро­сать – проще, тут тех­ни­ка нам в помощь. Слово «на­бро­сать» надо по­ни­мать в бук­валь­ном смысле: строят эс­та­ка­ды, на ко­то­рые удобно за­ез­жать са­мо­сва­лам, да и сбра­сы­ва­ют. Чем больше высота – тем лучше, камни по­плот­нее уля­гут­ся.

Стро­и­тель­ство ка­мен­но-на­брос­ной пло­ти­ны, Фото: wikimedia.org

Но при этом те, кто сидит за ба­ран­ка­ми са­мо­сва­лов – люди с от­мен­ной ква­ли­фи­ка­ци­ей. Все та же жи­тей­ская логика под­ска­зы­ва­ет, что пра­виль­ная пло­ти­на на внеш­них слоях со­сто­ит из круп­ных камней, а ме­ло­чев­ку можно «пря­тать» в се­ре­дин­ку. Значит, кузов надо «за­ди­рать» не как попало, а в нужном месте в нужное время, так что не все так просто. Ну, и, само собой, с какой бы высоты ты камень не на­бра­сы­вал, уве­рен­но­сти в том, что он уля­жет­ся с мак­си­маль­но воз­мож­ной плот­но­стью нет и быть не может. На­бро­са­ли слой – вы­го­ня­ем на работу виб­ро­кат­ки, ко­то­рые трам­бу­ют, уплот­ня­ют долго и ста­ра­тель­но, не за­бы­вая самым тща­тель­ным об­ра­зом фор­ми­ро­вать контр­бан­ке­ты. Диа­фраг­ма у нас ведь тонкая, функ­ция ка­мен­но­го тела пло­ти­ны – как можно боль­ший напор воды при­нять на себя. И так – слой за слоем, без спешки и суеты, всякий раз пе­ре­стра­и­вая эс­та­ка­ды для са­мо­сва­лов.

Со­сты­ку­ем – будем жить

Ка­мен­ные пло­ти­ны для ГЭС строят, само собой, там, где напор воды не очень силь­ный, иначе при­дет­ся стро­ить из бетона, ко­то­рый вы­дер­жит напор с га­ран­ти­ей. Но обу­стра­и­вать саму стан­цию в камне – это уж уволь­те, это просто цирк. Тут только бетон, внутри ко­то­ро­го ра­бо­чие колеса, тур­би­ны с ро­то­ра­ми и ста­то­ра­ми чув­ству­ют себя мак­си­маль­но ком­форт­но. Да и во­до­сброс в теле ка­мен­ной пло­ти­ны – безум­ный риск, по­сколь­ку никто и ничто не га­ран­ти­ру­ет, что вода не по­та­щит камни, по­сте­пен­но раз­ру­шая пло­ти­ну. Вот фо­то­гра­фия, на ко­то­рой хорошо видно, как обычно вы­гля­дит ком­плект из пло­ти­ны ка­мен­ной и пло­ти­ны бе­тон­ной

Сты­ков­ка ка­мен­ной и бе­тон­ной плотин, Фото: wikimedia.org

Весь центр со всеми ме­ха­низ­ма­ми во­до­то­ков к ко­ле­сам и во­до­сто­ков, как видно – бетон и только бетон. Если вни­ма­тель­но при­смот­реть­ся к правой сто­роне фо­то­гра­фии по центру, то видно, как обу­стро­ен стык бетона и камня. Бетон как бы «при­об­ни­ма­ет» ка­мен­ную часть, укры­вая ее от напора воды. И логика под­ска­зы­ва­ет, что это со­вер­шен­но ра­зум­но – линия стыка должна быть мак­си­маль­но за­щи­ще­на, по­сколь­ку яв­ля­ет­ся уяз­ви­мым местом.

Пло­ти­на – это не только элек­тро­энер­гия

От риска об­ва­лов контр­бан­ке­ты предо­хра­ня­ют на­столь­ко на­деж­но, что верх­ний гре­бень пло­ти­ны спо­кой­но вы­дер­жи­ва­ет до­пол­ни­тель­ную на­груз­ку – ав­то­мо­биль­ное шоссе, а то и же­лез­ную дорогу. На фо­то­гра­фии шоссе еще не за­ас­фаль­ти­ро­ва­но, но фо­то­гра­фия сде­ла­на не по окон­ча­нии всего объема работ, а в про­цес­се стро­и­тель­ства. Так что все пе­ре­чис­лен­ные нами гид­ро­стро­и­тель­ные хит­ро­сти – они не только из любви к ин­же­нер­но­му ис­кус­ству, но еще и для того, чтобы пло­ти­на при­но­си­ла нам как можно больше пользы.

Контр­бан­ке­ты ка­мен­но-на­сып­ной пло­ти­ны, Фото: wikimedia.org

В се­ре­дине у нас идет ге­не­ра­ция элек­тро­энер­гии, а по верху мы ка­та­ем­ся с ве­тер­ком с одного берега на другой, потому что мы с вами умные и рас­чет­ли­вые. Правда, мы уже на­столь­ко при­вык­ли к такого рода «пей­за­жам», что далеко не всегда за­ду­мы­ва­ем­ся, сколь­ко ума, труда и при­ле­жа­ния при­хо­дит­ся при­кла­ды­вать гид­ро­стро­и­те­лям, чтобы нам было светло, тепло, и чтобы мы еще и в ав­то­мо­биль­ных проб­ках не стояли, когда нам при­спи­чит реку пе­ре­ехать. Знать это, на наш взгляд, по­лез­но еще и потому, что это ин­те­рес­но и – как знать – может вполне при­го­дить­ся нашим детям.

Энер­го­по­тен­ци­ал наших рос­сий­ских рек до сих пор ис­поль­зо­ван едва-едва на 20%, так что нельзя ис­клю­чать того, что най­дут­ся еще места, где будут стро­ить­ся новые и новые пло­ти­ны ГЭС. Ко­неч­но, у каждой медали есть две сто­ро­ны. Пло­ти­ны ГЭС – это за­ча­стую за­топ­лен­ные тер­ри­то­рии, что не особо при­вле­ка­тель­но, что огор­ча­ет эко­ло­гов, что за­став­ля­ет людей менять при­выч­ные места оби­та­ния. Но, с другой сто­ро­ны, ГЭС – это то место, куда для ге­не­ра­ции элек­тро­энер­гии нет нужды везти-тащить ре­сур­сы, трубы с газом тянуть, где ни­ко­гда ничего не дымит и ни­ка­ки­ми угар­ны­ми газами ат­мо­сфе­ру не за­гряз­ня­ет. Больше того – есть ГЭС, ко­то­рым и пло­ти­ны-то не нужны, ко­то­рые дают элек­тро­энер­гию, не на­ру­шая ни­ка­ких ланд­шаф­тов. Не знали? Ну, ничего страш­но­го – будет повод по­чи­тать сле­ду­ю­щие статьи нашего жур­на­ла.

Источник