Бетонная плотина

<час />

Фон

Бетонные плотины имеют четыре основные формы. Бетонная гравитационная плотина имеет силу веса. Поперечное сечение этой плотины выглядит как треугольник, а широкое основание составляет примерно три четверти высоты плотины. Вода в резервуаре перед плотиной толкается горизонтально к дамбе, и вес гравитационной дамбы толкает вниз, чтобы противодействовать давлению воды. Бетонная опорная плотина также использует свой вес, чтобы противостоять силе воды. Однако он более узкий и имеет контрфорсы в основании или на носке дамбы на стороне ниже по течению. Эти контрфорсы могут быть узкими стенами, выходящими из лица плотины, во многом как "летающие контрфорсы", поддерживающие стены собора, или одиночный контрфорс, похожий на короткую плотину, может быть построен по ширине носка плотины.

Арочная плотина - одно из самых элегантных сооружений гражданского строительства. В поперечном сечении плотина узкая по ширине, но, если смотреть сверху, она изогнута, так что арка обращена к воде, а чаша кривой смотрит вниз по течению. Эта конструкция использует свойства бетона как его прочность. Бетон не имеет прочности при растяжении (когда его тянут или растягивают), но он очень силен при сжатии (когда его толкают или отягощают). Арочная плотина использует вес воды позади нее, чтобы прижаться к бетону и закрыть любые швы; сила воды является частью конструкции плотины. Арочно-гравитационная плотина представляет собой комбинацию арочного и гравитационного типа, как следует из названия; это более широкая форма арки. Множественные арочные плотины сочетают в себе технологию арочных конструкций и конструкций контрфорсов с несколькими одиночными арками, поддерживаемыми контрфорсами.

Бетонные плотины используются чаще, чем насыпные плотины для производства гидроэлектроэнергии, потому что в бетон могут быть встроены затворы (также называемые шлюзами) или другие виды выпускных сооружений, чтобы вода могла выходить из резервуара контролируемым образом. Когда вода для электроэнергии, питьевой воды или ирригации необходима ниже по течению, заслонки можно открыть, чтобы выпустить необходимое количество в течение определенного времени. Вода может течь в реке вниз по течению, чтобы рыба и другие дикие животные могли выжить. Как бетонные, так и насыпные плотины должны иметь аварийные водосбросы, чтобы паводковые воды могли безопасно спускаться вниз по течению до того, как вода потечет через вершину или гребень плотины и потенциально разрушит ее. Водосбросы направляют воду вниз по течению и намного ниже основания или подошвы плотины, чтобы плотина и ее основание не подвергались эрозии.

Большинство плотин, построенных в двадцатом веке и проектируемых сегодня, имеют несколько целей. Существует более 40 000 плотин высотой более 45 футов (15 м), классифицируемых как большие плотины, и более половины из них были построены с 1960 года. Из этих плотин 16% находятся в Соединенных Штатах, а 52% - в Китае; 83% представляют собой насыпные дамбы, используемые в основном для хранения воды, а остальные 17% представляют собой бетонные или каменные дамбы, предназначенные для различных целей. Плотины, вырабатывающие гидроэлектроэнергию, производят 20% электроэнергии в мире.

История

Заполнение плотин может быть гораздо более древней строительной техникой, чем бетонные или каменные, но самая старая сохранившаяся плотина - Садд-эль-Кафара, примерно в 20 милях (32 км) к югу от Каира, Египет. Эта плотина представляет собой композит, состоящий из двух каменных стен, пространство между которыми заполнено гравием; он был построен между 2950 и 2750 <малым> годом до нашей эры.

Древние римляне разработали превосходные методы строительства с использованием каменной кладки, но, что любопытно, они не часто использовали свои каменные навыки при строительстве плотин. Исключением была плотина Прозерпина в Мериде, Испания, которая существует до сих пор. Другие не оставили без внимания разработки римлян. Примерно в 550 AD Византийцы на восточных окраинах Римской империи использовали форму римской каменной арки, чтобы построить то, что, по мнению истории, было первой в мире арочной гравитационной плотиной. Строительство плотин пришло в Америку с конкистадорами. В Мексике они видели сушу, нуждающуюся в орошении, и имитировали плотины, построенные римлянами, мусульманами и испанскими христианами на своей родине; Католическая церковь финансировала строительство, и многие из миссионеров были квалифицированными инженерами.

Строительство плотин было редкостью в Европе до промышленной революции. В северном климате выпадало больше осадков, поэтому вода использовалась естественным образом, а водоснабжение было в изобилии. Однако в восемнадцатом веке рост промышленности потребовал постоянных и надежных поставок воды с большей силой, поэтому каменная кладка и строительство бетонных плотин стали популярными в Европе. Промышленная революция также стимулировала развитие науки и техники, а специальность гражданского строительства, которая включает в себя проектирование и строительство конструкций для улучшения качества жизни, появилась в 1850-х годах. Первые инженеры-строители начали изучать физику сэра Исаака Ньютона и другие научные теории и применять их к практическим конструкциям, включая плотины.

Напоминания о плотине в Остине, штат Пенсильвания, после ее обрушения 30 сентября 1911 года.

30 сентября 1911 года город Остин (население 3200 человек) в горной стране на севере центральной части Пенсильвании был разрушен потоком воды, ревущим через долину, направляемой ее узкими и прочными стенами. Силы прорвали газопровод из-под улиц; и как только водная стена прошла, странное пламя зажгло газ, и огонь перешел от газовой трубы к газовой трубе и от дома к зданию по всем остаткам 30-летнего города Остин. Первоначальные сообщения утверждали, что погибло 1000 человек, хотя, по более поздней информации, число погибших составило от 50 до 149. Источником этого горя также был источник средств к существованию для Остина. Целлюлозно-бумажный комбинат Bayless владел бетонной плотиной, которую он построил в 1909 году, чтобы служить резервуаром для хранения воды для своего водоемкого предприятия по производству целлюлозы и бумаги. Предвестником этой катастрофы был январь 1910 года, когда после сильного зимнего дождя и таяния снега в плотине были обнаружены трещины. Трещины были заделаны, но они не были признаны признаками проблем, связанных с фундаментом, проектированием и строительством конструкции.

К приближающейся зиме 1909-10 гг. Плотина еще строилась. При укладке бетона температура была ниже нуля, и завершающие этапы строительства были завершены в спешке. Строительство плотины было завершено примерно 1 декабря 1909 года, и когда строительство было завершено, была видна трещина, идущая от гребня плотины вертикально к земле. К концу месяца появилась вторая трещина. Обе трещины, казалось, возникли в результате сжатия бетона. 17 января 1910 года потепление принесло проливные дожди и вызвало быстрое таяние снегов, а четыре дня спустя паводковые воды хлынули по водосбросу.

Все технические аспекты плотины Остина были плохими. Неудачи конструкции были очевидны и включали использование слабого, негабаритного заполнителя, помещенного в неправильно затвердевший бетон в морозную погоду. Когда произошел обрушение в январе 1910 года, это показало, что конструкция плотины и фундаментная порода разрушились. Несоблюдение владельцем / оператором ремонта, рекомендованного инженером, стало фатальной печатью.

Сырье

Основным сырьем для бетонных плотин является сам бетон и стальная арматура. ряд других материалов и компонентов, изготовленных специализированными подрядчиками, может быть использован при строительстве плотин, включая стальные ворота и облицовку туннелей, резиновые гидрошпонки, пластмассовые герметизирующие соединения для предотвращения движения воды, электрические элементы управления и проводку, сифоны, клапаны, генераторы энергии. , широкий ассортимент инструментов и даже тефлоновое покрытие для облицовки водовыпускных устройств для предотвращения турбулентности и кавитации (повреждения из-за вихревой воды).

Сам бетон состоит из цемента, воды и материалов, которые вместе называются заполнителями и состоят из песка или гравия. Цемент обладает уникальными свойствами, которые необходимо учитывать при выборе цемента, проектировании плотины и сроках строительства. Смешивание цемента и воды вызывает химическую реакцию, которая делает бетон твердым, но при этом выделяется тепло. Это вызывает заметное повышение температуры внутри бетонной массы, и, когда бетон начинает остывать, он сжимается и трескается, потенциально вызывая утечки. Чтобы ограничить эти эффекты, можно укладывать бетон при низкой температуре воздуха, использовать низкотемпературный цемент и циркулировать воду по трубам в бетоне. Кроме того, бетон необходимо укладывать на неглубоких лифтах (т.е. только несколько футов или метров добавляются за раз) и в узких блоках; затем необходимо дать ему возможность застыть в течение определенного минимального времени, чтобы тепло рассеивалось. В зависимости от конструкции плотины инженеры будут очень тщательно выбирать бетонную смесь (включая цемент и тип заполнителя); Тонкая арочная плотина спроектирована из другой бетонной смеси, чем массивная гравитационная плотина.

Дизайн

Конструкция бетонной плотины зависит от ее назначения и конфигурации участка, на котором она будет построена. Плотины бывают двух основных типов. Плотины перелива блокируют течение в ручье и используют воду для выработки энергии или улучшения навигации и обеспечения поливной водой. Компоненты водосливной дамбы спроектированы таким образом, чтобы воду можно было выпускать, а уровень воды в резервуаре регулировался с помощью ряда шлюзовых затворов, водосбросов или выпускных туннелей. В неперекрывающихся плотинах хранится вода для питьевого водоснабжения, ирригации или электроэнергии; у них также есть водосброс, но его использование ограничено в чрезвычайных ситуациях, чтобы быстро понизить уровень воды во время паводков. Способы сброса накопленной воды гораздо более ограничены, чем в случае дамб для перелива, а сама плотина может не содержать никаких сливных сооружений. Вместо этого воду можно откачивать для полива, например, из части резервуара.

Некоторые участки лучше всего подходят для конкретных типов плотин. Арочная плотина наиболее подходит для строительства в высоком узком ущелье, где арка структурной формы обеспечивает прочность. Но арка также может быть построена через более широкий каньон, где другие эффекты, такие как трение о основании плотины, добавляют силы и сопротивления движению. Точно так же гравитационная плотина является типичным выбором для неглубокого и широкого каньона, но если она построена с некоторой кривизной, действие изгиба также укрепит гравитационную плотину в более узком и высоком ущелье. Если русло реки исключительно широкое, плотина может быть спроектирована так, чтобы иметь несколько пролетов, каждый с различными инженерными характеристиками в зависимости от различных материалов основания. Отдельные пролеты обычно поддерживаются на выходе (воздух) контрфорсами или удлиненными изгибами нескольких арок. Иногда пролеты многопролетных плотин сооружаются из бетонных плит или стальных плит, опирающихся на опоры.

Как и насыпные плотины, бетонные плотины проходят обширные раунды предварительного проектирования и технико-экономических обоснований, чтобы выбрать и изучить участок, чтобы оценить количество удерживаемой воды и ее ценность (в качестве источника энергии или источника снабжения) по сравнению со стоимостью проекта более ожидаемые годы эксплуатации, чтобы учесть широкий спектр других эффектов, таких как изменения в окружающей среде, и выбрать плотину оптимального размера и конфигурации. В эти исследования входят сотни факторов, и этот процесс обычно повторяется. Дизайн выбирается и проверяется на соответствие всем этим факторам, пока он не удовлетворяет одному или нескольким факторам, а следующий вариант дизайна выбирается и изучается до тех пор, пока он не выйдет из строя или не пройдет успешно.

В процессе проектирования бетонной плотины обычно участвуют профессионалы из более широкого круга дисциплин, чем проектирование насыпной плотины. Технические специалисты, которые вносят свой вклад в проектирование бетонной плотины, могут включать геологов, сейсмологов, ученых-экологов, инженеров-геологов (грунтов), инженеров-строителей, инженеров-строителей, компьютерных аналитиков (специалистов по программным приложениям, которые исследуют прочность и безопасность плотины), гидрологи и инженеры-гидротехники, инженеры-механики и инженеры-электрики, если плотина будет использоваться для выработки электроэнергии. Еще больше специалистов могут изучать такие аспекты, как коррозия бетонных и стальных конструкций. Командная работа, необходимая для проектирования и строительства плотины, имеет решающее значение не только из-за огромных затрат на эти проекты, но и из-за безопасности Пример типичного плана гравитационной плотины с бетонной аркой. людей и имущества ниже по течению требует совершенствования.

Процесс строительства

1. Прежде чем можно будет начать строительство какой-либо плотины, необходимо отвести воду в русле реки или остановить ее течение. Как и в случае насыпных дамб, должна быть построена перемычка (временное сооружение для сбора воды) или вода должна быть отведена в другой канал или участок ниже по течению от участка плотины. Для крупных проектов это строительство может быть выполнено за несколько сезонов до начала строительства плотины. Поток воды перекрывается в самый последний момент.

2. Фундамент для любой бетонной плотины должен быть безупречным до того, как будет уложен первый бетон для плотины. Что касается насыпных дамб, это подробный процесс выемки, очистки и ремонта породы по всей «опоре» фундамента и на обоих устоях (стороны каньона, которые образуют концы плотины). Также должны быть подготовлены участки непосредственно ниже плотины для установки любой электростанции, успокоительного бассейна или другого сооружения.

   На некоторых участках может потребоваться обширная работа. Если порода в основании или устоях склонна к разрушению из-за нагрузки, создаваемой плотиной и ее резервуаром, землетрясением или свойствами породы, может потребоваться установка обширных систем анкерных или анкерных болтов, которые залит в породу через потенциальные зоны разрушения. На устоях над плотиной могут потребоваться системы анкерных болтов и сеток для предотвращения падения крупных обломков породы на плотину. Инструменты для мониторинга уровней грунтовых вод, движения суставов, потенциальной просачивания, движения откосов и сейсмической активности устанавливаются начиная с ранних этапов подготовки фундамента и до завершения строительства плотины.

   Отрезная стена может быть выкопана глубоко в скале, или в фундаменте могут быть просверлены отверстия для установки арматурной стали, называемой арматурой, которая простирается в плотину и будет привязана к стали внутри первых подъемов плотины. Идея состоит в том, чтобы построить резервуар, который, как и чаша, был одинаково здоровым по всему периметру. Вода самая глубокая и самая тяжелая у плотины (когда водохранилище близка к емкости), поэтому плотина и ее фундамент не могут быть слабым местом в этом периметре.

3. Формы из дерева или стали сооружаются по краям каждой секции плотины. Арматурный стержень помещается внутрь опалубки и привязывается к любому смежному стержню, который был установлен ранее. Затем заливается или закачивается бетон. Высота каждого подъема бетона обычно составляет всего 5-10 футов (1,5-3 м), а длина и ширина каждой секции плотины, которую необходимо заливать как единое целое, составляет всего около 50 футов ( 15 м). Строительство продолжается таким образом, поскольку плотина поднимается секция за секцией и поднимается лифтом. Некоторые основные плотины построены из секций, называемых блоками, с ключами или замками, которые связывают соседние блоки, а также соединения из конструкционной стали.

   Этот процесс очень похож на строительство здания, за исключением того, что у плотины гораздо меньше внутреннего пространства; Однако удивительно, что на крупных бетонных плотинах есть смотровые галереи на разных уровнях, так что состояние внутренней части плотины можно наблюдать на предмет просачивания и движения. Впускные и выпускные туннели или другие конструкции также проходят через бетонные плотины, что сильно отличает их от насыпных плотин, которые имеют как можно меньше конструкций, проникающих в массу плотины.

4. Как только будет построена значительная часть плотины, может начаться процесс заполнения водохранилища. Это делается под строгим контролем, чтобы оценить нагрузки на плотину и понаблюдать за ее начальным функционированием. Временный аварийный водосброс строится, если строительство плотины занимает более одного сезона; длительное строительство обычно осуществляется поэтапно, называемыми этапами, но каждый этап сам по себе полностью завершен и представляет собой действующую плотину. Коффердам, расположенный выше по течению, можно оставить на месте в качестве временной меры предосторожности, но он обычно не рассчитан на то, чтобы выдерживать потоки и осадки, превышающие минимальные, и будет демонтирован при первой возможности. В зависимости от конструкции некоторые дамбы не заполняются до тех пор, пока строительство не будет по существу завершено.

5. Другие конструкции, обеспечивающие работу плотины, добавляются, как только достигается отметка их местоположения, когда плотина поднимается. Последними компонентами являются защита от эрозии на верхней (водной) стороне плотины (а иногда и ниже по течению у оснований водосбросных сооружений), инструменты вдоль гребня (вершины) плотины и дорог, тротуаров, уличных фонарей и удерживающих устройств. стены. У такой крупной плотины, как плотина Гувера, есть полноценная проезжая часть по гребню; У небольших плотин будут ремонтные дороги, которые позволят проезжать только одним транспортом.

   Поперечное сечение типичной гравитационной плотины с бетонной аркой. Высота 280 футов (85 м). Мощность увеличивается с 16 футов (4,9 м) наверху до 184 футов (56 м) у основания.

   Вдали от самой плотины завершается строительство электростанции, приборных корпусов и даже домов для постоянных операторов плотины. Проведены первоначальные испытания всех сооружений плотины.

6. Окончательные детали строительства завершаются по мере ввода плотины в эксплуатацию. Начало срока эксплуатации плотины также было тщательно спланировано как элемент проектирования, чтобы вода была доступна в резервуаре, как только система водоснабжения будет готова, например, для перекачивания и прокачки ее вниз по течению. Программа операций, текущее обслуживание, реабилитация, проверки безопасности, мониторинг приборов и подробное наблюдение будет продолжаться и предписана законом до тех пор, пока существует плотина.

Контроль качества

Строительство плотины невозможно без тщательного контроля качества. Сам по себе процесс строительства включает в себя тяжелое оборудование и опасные условия для строителей и населения. Население, живущее ниже по течению от плотины, должно быть защищено самим сооружением; профессионалы, которые проектируют и строят эти проекты, абсолютно привержены принципам безопасности, и они находятся под контролем местных, государственных и федеральных агентств, таких как Отделы безопасности плотин, Инженерный корпус США и Департамент мелиорации.

Побочные продукты / отходы

При проектировании или строительстве плотины нет побочных продуктов, хотя для реализации проекта может потребоваться ряд других сопутствующих или вспомогательных сооружений. Отходы также минимальны, потому что материалы слишком дороги, чтобы их можно было допустить. Кроме того, объекты часто находятся в удалении, и процесс вывоза отходов с объекта и их утилизации является непозволительным. Грунт и горные породы, которые могут быть извлечены из зоны фундамента, участков ниже по течению, устоев или частей резервуара, обычно используются в другом месте на территории проекта. Количество материалов, вырезанных или размещенных в качестве засыпки, тщательно рассчитывается для обеспечения баланса.

Будущее

Будущее бетонных плотин является предметом многочисленных споров. Ежегодно в результате наводнений погибает более 100 000 человек, и борьба с ними является основной причиной строительства плотин, а также защиты устьев рек от наводнений и улучшения навигации. Плотины также приносят пользу жизням, потому что они обеспечивают водоснабжение для орошения полей и питьевую воду, а гидроэлектроэнергия является экологически чистым источником электроэнергии. Водохранилища также используются для отдыха, туризма и рыболовства.

Однако плотины также наносят ущерб окружающей среде. Они могут изменять экосистемы, топить леса и дикую природу (включая исчезающие виды), изменять качество воды и структуру отложений, вызывать потерю сельскохозяйственных земель и плодородных почв, регулировать речные потоки, распространять болезни (путем создания крупных водохранилищ, в которых обитают болезнетворные насекомые. ) и, возможно, даже повлияют на климат. Существуют также неблагоприятные социальные последствия, поскольку человеческое население перемещается и не расселяется должным образом.

За годы до начала строительства в 1994 году плотины «Три ущелья» в Китае экологи всего мира организовали протесты, пытаясь остановить этот огромный проект. Им это не удалось, но разногласия по поводу этого проекта являются репрезентативными в отношении аргументов, с которыми все предложенные плотины столкнутся в будущем. Необходимо тщательно взвесить баланс между удовлетворением потребностей человека в воде, электроэнергии и борьбе с наводнениями и защитой окружающей среды от уничтожения или посягательства человека.