Развитие плотиностроения от древности до наших дней

Необходимость приводимых ниже сведений об истории плоти- ностроения и о конструкциях древних гидротехнических сооружений представляются важными автору по двум основным причинам. Первая причина заключается в демонстрации многовекового опыта эксплуатации плотин и их жизненно важной роли в развитии и существовании цивилизаций. Анализируя соответствующий исторический материал, можно убедиться, что ряд инженерных вопросов осознавался человечеством на протяжении тысячи лет, чтобы в настоящее время плотины могли эффективно предотвращать негативные последствия наводнений, улучшать орошение, создавать напор воды для выработки электроэнергии.

Вторая причина состоит в провокации интереса у студентов к нахождению отличий между конструкциями древних плотин и современных сооружений. Такое сопоставление может способствовать анализу уже современных конструктивных решений, а также анализу изменений, которые произошли в области технологий строительства и применяемых для строительства материалов.

Как будет показано ниже, древние плотины были невысокими (5—20 м) и «распластанными». К настоящему времени гидротехники способны возводить очень высокие и тонкие, а следовательно, конструктивно сложные плотины. Так, высота отдельных плотин достигает более 300 м. Принимая во внимание тысячелетнюю историю плотиностроения, тенденцию усложнения конструкций плотин и технологий строительства, можно уверенно предположить, что гидротехническая наука будет продолжать развиваться.

Конструкции древних плотин

Жизнь без воды невозможна, но ее излишек часто бывает разрушительным, а дефицит воды в прошлом становился началом конца многих цивилизаций. Неслучайно первые цивилизации зародились по берегам больших рек; при этом сельское хозяйство являлось самой важной отраслью экономики этих цивилизаций. Проживание

и и ведение хозяйственной деятельности у берегов рек, с одной стороны, было вынужденным, а с другой — сопряженным с рисками разливов рек. Чтобы приспособить такое природное (нерегулярное) поступление воды в естественные водоемы (реки) для удовлетворения потребностей людей, применяли технические средства. Так, еще с древних времен люди использовали идею об аккумуляции воды в больших искусственных водоемах (водохранилищах) в периоды ее избыточного поступления (периоды паводков) и расходования воды в периоды засух.

Освоение земель, удаленных от рек, требовало строительства других гидротехнических сооружений — каналов и вспомогательных устройств для забора воды из каналов. Все эти мероприятия, направленные на управление использованием водными ресурсами, требовали возведения плотин.

Поскольку бетонные плотины и плотины с применением негрунтовых (искусственных) материалов появились только в XX в., ниже рассматриваются конструкции грунтовых плотин.

Историю строительства грунтовых плотин можно условно разделить на два основных периода. Первый период берет начало от древнейших времен до начала XX в., когда плотины строили без какого-либо расчетного (научного) обоснования, только на основе имевшегося опыта и интуиции древних строителей. Второй — от начала XX столетия до настоящего времени, когда проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений стали осуществляться на начавшей зарождаться научной базе. С большой степенью условности можно утверждать, что данная научная база в настоящее время основывается на следующих главных направлениях:

• • изыскания (инженерно-геологические, топографические, гидрологические и др.);
• • гидравлические исследования;
• • расчеты, обосновывающие прочность и устойчивость сооружений;
• • опыт эксплуатации, т. е. данные натурных наблюдений, использующие визуальные наблюдения и показания контрольно-измерительной аппаратуры, установленной в тело сооружений.

Первые упоминания о плотинах, предназначенных для создания водохранилищ, связаны с древней Месопотамией [1], на территории которой возводились водохранилищные плотины для полива посевов, снабжения населения питьевой водой и защиты от наводнений. Некоторые древние плотины Месопотамии треугольниками показаны на карте для демонстрации не единичных случаев их возведения (рис. 1.1). Как видно из рис. 1.1, плотины были возведены на территории современной Иордании, Сирии, Ирака, Египта и Турции.

Рис. 1.1. Карта Месопотамии с древнейшими плотинами

Наиболее древние грунтовые плотины, руины которых сохранились до настоящего времени и обследованы, были построены примерно за 3 тыс. лет до н. э. у города Ява, располагавшегося в 100 км от современной столицы Иордании — г. Амман. Эти плотины были предназначены для создания десяти прудов-водохранилищ, необходимых для водоснабжения города в засушливое время года. Наиболее крупная из вышеупомянутых плотин представлена на рис. 1.2 [2].

Рис. 1.2. Поперечное сечение плотины Ява (размеры в метрах):

• 1 — ядро плотины из глинистого грунта, отсыпанного в первую очередь;
• 2 — ядро плотины из глинистого грунта, отсыпанного во вторую очередь;
• 3 — стенки из каменной кладки первой очереди; 4 — стенки из каменной кладки второй очереди; 5 — низовой клин, возведенный в первую очередь;
• 6 — низовой клин, возведенный во вторую очередь; 7 — дренаж

Высота плотины Ява составляет 5,5 м, длина — 80 м. Плотина возводилась поэтапно (в две очереди) и конструктивно представляет собой ряд стен из каменной кладки, пространство между которыми заполнено глинистым грунтом в качестве противофильтрацион- ного элемента (ядра) толщиной 2 м. С низовой стороны плотины выполнен пологий грунтовый откос заложением 1:3,7. Строгие определения будут даны ниже. В данном разделе грань плотины, примыкающая к водохранилищу, называется верховой гранью, а противоположная — низовой.

На рис. 1.2 глинистый противофильтрационный элемент, стенки из каменной кладки и низовой клин, возведенные в первую очередь, показаны соответственно цифрами 1, 3 и 5, а глинистый противофильтрационный элемент, стенки из каменной кладки и низовой клин, возведенные во вторую очередь, показаны соответственно цифрами 2, 4 и 6.

На рис. 1.3 показано поперечное сечение плотины Садд-Эль- Кафара, которая была построена в Египте с целью ирригации за 2600 лет до н. э. Плотина имела колоссальные запасы устойчивости: при высоте 14 м ее ширина по гребню составляла 56 м. Конструкция плотины включала центральное ядро из глинистого грунта, оконтуренного каменными упорными призмами. Откосы плотины выложены крупными блоками из известняка; при этом никаких переходных слоев между ядром и каменным материалом предусмотрено не было.

Рис. 1.3. Поперечное сечение каменно-земляной плотины Садд-Эль-Кафара (длина по гребню 113 м)

Плотина была разрушена паводком еще до окончания строительства, так как канал, который должен был отводить паводковые воды, не был построен вовремя.

Аварийные ситуации на древних плотинах (как, впрочем, и на современных грунтовых плотинах) часто являлись следствием не учтенных заранее и трудноконтролируемых процессов нарушения структуры грунта в основании или грунтовом материале самого сооружения. При этом конструкции древних плотин не имели тех конструктивных элементов (фильтров, дренажей), которые гарантируют в настоящее время фильтрационную прочность грунтовых плотин на контакте с основанием и береговыми примыканиями, а также при сопряжении разных типов грунтов в теле плотин между собой. Из-за отсутствия именно этих элементов большинство древних грунтовых плотин оказались разрушенными, но некоторые после тысячелетней эксплуатации находятся в рабочем состоянии и по настоящее время. Такой эксплуатирующейся плотиной с тысячелетней историей является плотина Кофини, построенная в Греции в 1260 г. до н. э.

Плотина Кофини является однородной грунтовой плотиной, у подошвы верхового и низового откосов которой выполнены каменные стенки. Верховая стенка заделана в основание и тем самым позволяет предотвратить размыв. Низовая стенка служит подпорной стеной. При высоте плотины 10 м ее ширина по основанию переменная, от 57 до 103 м. Ширина гребня также переменная — от 3 до 50 м. Уклон верховой грани переменный: от 1 : 2 до 1 : 3, а низовой грани — 1:2.

Почти за 3300 лет своего существования плотина неоднократно подвергалась наводнениям и землетрясениям, но не была разрушена и эксплуатируется до настоящего времени.

В 219 г. до н. э. в Китае была построена каменная плотина Ти- ангпинг, перегораживающая речной поток с целью подпора воды в реке и направления воды в оросительные каналы (рис. 1.4). Под вертикальной напорной гранью плотины забиты деревянные сваи, предотвращающие размыв. Низовая пологая грань покрыта каменными плитами, уложенными вертикально. Неровная поверхность камней гасит значительное количество энергии воды при переливе. Также за плотиной выполнено специальное устройство для гашения энергии воды (водобойный колодец) длиной 6 м.

Рис. 1.4. Поперечное сечение плотины Тиангпинг (размеры в метрах):

• 1 — каменная подпорная стенка; 2 — деревянные сваи;
• 3 — крепление камнем

Еще одним примером выдающегося сооружения является плотина Корнальво, построенная римлянами в середине II в. н. э. в Испании (рис. 1.5). Причиной такой превосходной оценки является не только успешный опыт эксплуатации гидротехнического сооружения в течение без малого двух тысяч лет, но и конструкция, во многом отвечающая современным представлениям.

Рис. 1.5. Поперечное сечение плотины Корнальво (размеры в метрах):

• 1 — шахтный водосброс; 2 — система продольных и поперечных стенок из каменной кладки; 3 — глинистый грунт с включением камня;
• 4 — крепление откоса тесаным камнем

Плотина расположена в 16 км от г. Мерида и предназначена для снабжения жителей города водой, которая подавалась по акведуку длиной 20 км. Грунтовая плотина высотой 24 м и длиной по гребню 200 м формирует водохранилище объемом около 10 млн м³. Заложение верхового откоса — 1 : 1.5, заложение низового откоса — 1:2.

Плотина Корнальво имеет несколько конструктивных особенностей:

• • во-первых, поперечные и продольные каменные ряжевые стенки, способствующие повышению устойчивости верхового откоса. Пространство между стенками заполнено глинистым грунтом и камнем;
• • во-вторых, уникальный шахтный водосброс с поперечным сечением 4,5 х 4,5 м и отводящий туннель (0,5 х 17 м). Уникальность этих сооружений из каменной кладки заключается в их «смелости», поскольку толщина стенки водозаборной шахты на верхних 10 м составляет не более 0,5 м.

Россия по климатическим условиям не нуждалась остро в орошении, и первые сведения о строительстве на Руси плотин для водяных мельниц относятся к XIV в. Интенсивное строительство плотин началось в России лишь в XVIII в. для водоснабжения промышленных предприятий. В это же время одновременно с созданием флота начинается строительство судоходных систем, соединивших бассейны разных рек.

Примером судоходного гидротехнического строительства является возведение в средневековом Китае так называемого Великого канала, который был проложен вдоль берега Желтого моря. Он берет свое начало на севере в районе Пекина и тянется на юг до Ханчжоу, пересекая реки Хуанхэ, Хуайхэ и Янцзы, опоясывая весь Восточный Китай. Его строительство окончательно завершено в XIII в. Длина канала составляет 1800 км, глубина 3—9 м, а ширина до 30 м [1].

В средневековом Китае Великий канал имел огромное значение для хозяйственных и культурных связей между севером и югом страны. Это самый длинный искусственный водный путь в мире и один из самых обширных средневековых проектов гидротехнического строительства.

Подтверждением широкомасштабного гидротехнического строительства, охватывающего разные страны и континенты, является табл. 1.1. Здесь приведен перечень плотин, представляющих интерес с точки зрения целей их возведения, условий эксплуатации и объемов созданных ими водохранилищ [2].

Таблица 1.1

Информация о некоторых древних плотинах

* Высота плотин после реконструкции