Плотины ГЭС: как они работают, какие бывают и с чего началась гидроэнергетика?
При слове «плотина» люди обычно делятся на две категории: одни думают о милых и трудолюбивых бобрах, другие — о монументальных сооружениях, созданных благодаря труду сотен и тысяч людей, которые устрашающе рушатся почти в каждом фильме-катастрофе. Давайте же подробно разберем вторые, их особенности и различия, а также выясним, насколько они опасны (или безопасны) для окружающих.
С чего все началось?
Первая в мире гидроэлектростанция была построена английским инженером Уильямом Джорджем Армстронгом в городе Нортумберленд в 1878 году. Используя силу реки, ГЭС питала одну единственную лампу для освещения картинной галереи, однако изобретение произвело ошеломительный эффект на публику, и гидроэнергетика стала покорять мир.
Так, с конца XIX века в России, Европе, США и Азии стали строить полномасштабные гидроэлектростанции. На сегодняшний день ГЭС приносят миру около 20% от общего количества энергии. Тем не менее, в руслах рек даже с очень быстрым течением ставить большие турбины нельзя, так как у воды все равно не хватит силы, чтобы ее проворачивать. Поэтому и были придуманы плотины — своеобразная преграда для естественного водотока, которая поднимает уровень воды и создает необходимый напор для получения энергии.
В России больше всего гидроэлектростанций, включающих в себя плотины и дамбы, сосредоточены в Мурманской области. К примеру, ГЭС «ТГК-1» Мурманской области — это 23 бетонные плотины (включая водосбросные) и 49 сооружений (включая дамбы) из местных материалов. На этом примере легко увидеть особенности разных видов и форм плотин.
Виды плотин
Каскад Пазских ГЭС состоит из бетонных плотин. Они, что понятно из названия, сделаны из бетона и укреплены арматурой. Попасть внутрь можно через специальные проемы (двери, люки), которые переходят в галерею (потерну). Такие галереи нужны для контроля состояния бетона, сбора и отвода фильтрующейся воды, размещения контрольно-измерительной аппаратуры и различных коммуникаций.
Также многие мурманские гидроэлектростанции состоят из местных материалов. При их строительстве используются природные «стройматериалы», которыми изобилует та или иная область. По сути, все они состоят из грунта, но в каждой есть что-то уникальное. Так, в составе плотины на регулирующем сооружении Пиренга ГЭС-1 — камень и моренный грунт. Плотина на Нижне-Туломской ГЭС сделана из камня и пылеватых песков с супесью. Плотина на Серебрянской ГЭС-1 содержит камни и супесчаную морену. Остальные сооружения в основном однородные, из моренных грунтов. При этом верховой откос укреплен скальной наброской.
Формы плотин
По содержанию выделяют бетонные плотины и сделанные из любого другого материала, но по форме четкие критерии есть только у плотин, сделанных из бетона. Они делятся на контрфорсные, арочные и гравитационные. Все они представляют из себя прочные сооружения, которые должны выстоять под воздействием внешних обстоятельств: сильного мороза и мощной водной стихии. Их делают из специального гидротехнического бетона, который и обеспечивает им такие характеристики.
У гравитационных плотин очень простая конструкция, благодаря которой они считаются максимально надежными. Они используются на крупнейших ГЭС мира — «Три Ущелья» (Китай), «Итайпу» (граница Бразилии и Парагвая), «Гури» (Венесуэла). Гравитационные плотины сопротивляются давлению воды со стороны водохранилища за счет своей массы. Их недостаток — огромный расход цемента, который повышает стоимость сооружения. Однако сейчас наиболее перспективным считается строительство плотин из малоцементных укатанных бетонов, которые позволяют не только сэкономить, но и значительно ускорить процесс возведения конструкции. В Мурманской области гравитационная плотина используется на Раякоски — ГЭС «ТГК-1».
Конструкция контрфорсной плотины представляет собой отдельно установленные опоры (контрфорсы), пространство между которыми перекрыто плитами, консольными утолщениями или арками. Давление воды и наносов передается через контрфорсы на основание плотины. Такие конструкции на прочных скальных основаниях гораздо дешевле массивных гравитационных плотин. Но они намного сложнее в строительстве и более требовательны к качеству грунтов основания. Контрфорсные плотины также используются на Каскаде Пазских ГЭС «ТГК-1», среди них плотина на Янискоски ГЭС.
Арочные плотины обычно сооружают при наличии прочного скального основания и скалистых берегов. Принцип действия таких конструкций отличается от других типов плотин. Гравитационные и контрфорсные давят на основание, а арочные переносят нагрузку на берега. Бетон в арочной плотине работает на сжатие, поэтому его прочность очень велика, при этом сама плотина может быть удивительно тонкой — при высоте в сотню метров ее толщина может составлять всего 2-3 м. Экономия бетона при строительстве такого сооружения достигает 80% по сравнению с гравитационной плотиной. Но построить их можно не везде, ведь к строительству предъявляются особые требования относительно ширины долины, ее формы и качества пород.
Выбор типа плотин для строительства ГЭС происходит на стадии проектирования. Чтобы не ошибиться и предотвратить аварийные ситуации в будущем, учитывается огромное количество факторов. Прежде всего, это топография местности и геологические особенности места установки. Арочных плотин на ГЭС «ТГК-1» в Мурманской области, например, нет. И хотя они больше всего поражают своей изящно-монументальной эстетикой, такие сооружения не могут применяться в регионе из-за особенностей ландшафта.
Так это безопасно?
Несмотря на то, что плотины (особенно арочные) выглядят довольно угрожающе, сооружения это безопасные. Согласно статистике и исследованиям, ошибки и аварийные ситуации встречались лишь на 1% мировых плотин. И статистика эта уменьшается с каждым годом, а не увеличивается. Все потому, что внутри плотин постоянно происходит работа по улучшению оборудования и систем безопасности. К тому же современные методы исследования грунта и работы с ним практически исключают вероятность катастроф, которые часто демонстрируют в кино, например, их прорыв. И хотя в мировой истории действительно происходили страшные аварии на плотинах ГЭС, современные технологии упорно пытаются свести вероятность таких аварий в будущем к нулю.