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, инвестиции 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.
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.
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.
Фото: rushydro.ru