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.
