Водоудержательная плотина. — Назначение водоудержательной плотины образовывать искусственные скопления воды (см. Водохранилище). В. плотины устраиваются из земли, дерева, камня, железа. Главную роль при выборе материала играет характер грунта, на котором возведена плотина. Необходима очень прочная связь между сооружениями и его основанием. Поэтому на каменистом грунте плотины делают из камня, на глинистом — из земли. Деревянные и металлические плотины устраиваются, когда долговечность сооружения не считается существенным условием. Плотины из сочетания различных материалов, в особенности из земли и камня, не обеспечены ни в устойчивости, ни в водонепроницаемости. Однако существует несколько примеров каменно-земляных плотин. Есть также примеры каменных плотин, построенных на глинистом грунте и до настоящего времени не разрушившихся, но и на них резко проявляются последствия недостаточной связи между телами плотины и грунтом.
Высота плотины зависит от количества воды, которое должен вместить устраиваемый резервуар, а также от материала плотины. Земляные плотины не следует делать выше 10 сажен.
Место для плотины. Предпочтительно плотины надо устраивать в таких местах долины, где они значительно суживаются, не принимая при этом слишком крутого уклона (см. черт. 16). Однообразный крутой уклон боковых долин, однако, желателен. Склоны, покрытые растительностью, должны быть предпочитаемы обнаженным как менее размываемые текучей водой. Грунт должен быть возможно непроницаем для воды и прочен. Затопляемая поверхность земли не должна представлять большой ценности.
Земляные плотины очень распространены в Индии, Китае и Англии, где они служат преимущественно для цели орошения. Земляные плотины, устраиваемые для образования водохранилищ (прудов), распространены повсеместно, и их много в России. Наилучший грунт — смесь песка с глиной в пропорции 3/2:1. Песок, гравий, чистая глина — не годны. Насыпь нужно делать слоями в 0,15—0,20 метра, укатывая каждый слой сначала гладким катком, весом в 700—800 килогр., потом бороздчатым катком с прямоугольными выступами, весом в 12000—15000 килогр., причем полезно поливать каждый слой известковым молоком. Если земля сырая, то известь, лучше гидравлическую, можно подмешивать в порошке в пропорции 1/100. Ширина плотины вверху определяется в зависимости от высоты (h) по формуле: l=3 м+5/17(h−3).
Если в хорошем грунте чувствуется недостаток, то из него делают только часть плотины, ближайшую к воде, или внутреннее ядро, употребляя для остальных частей более плохой грунт (см. черт. 9).
Внутреннему откосу плотины придается уклон в 2/1 или 3/1, наружному — естественный уклон употребленного грунта. При большой высоте полезно откосы обделывать уступами, а внутренние вымащивать камнем на сухом или даже на растворе (см. черт. 6 и 8). Особенное внимание должно быть обращаемо на прочное соединение плотины с ее основанием. Для этого верхние слои почвы снимают и, кроме того, делают под плотиной одну или несколько продольных канав, которые заполняют грунтом плотины. Если почва водопроницаема, приходится делать под плотиной водонепроницаемые диафрагмы (черт. 9) или из того же материала, из коего сделана плотина, или из бетона. Гребень плотины должен возвышаться на 1—3,5 метров над самыми высокими водами в резервуаре.
Деревянные плотины устраиваются в виде срубов, наполненных камнем (ряжей), с более или менее значительными отверстиями для выпуска вод. В Западной Европе примеры таких плотин немногочисленны (см. черт. 3, 4 и 5 — плотина на Wackbach у Baierischzell). В России, напротив, в соединении с земляными они являются господствующим типом. Наши большие водохранилища, служащие для перемежного или караванного судоходства на Верхней Волге или Вышневолоцкой системе, имеют плотины такого устройства (см. черт. 1 и 2 — плотины Верхневолжского водохранилища). Они характеризуются небольшой высотой подпор (2—3 саж.) и относительно большими размерами отверстий для выпуска вод. Существенные части такой плотины, называемые шлюзовой, или бейшлотом: основание, или флютбеты, береговые устои, промежуточные опоры (быки, бычки, стойки) и затворы (шандоры или щиты). На опорах плотины устраивается обыкновенно мост. Чтобы менее утомлять затворы, иногда делают два ряда их, разделяя подпор между ними, как, напр., в Верхневолжской плотине (черт. 2). Основание деревянных плотин делается или ряжевое, или свайное с несколькими шпунтовыми рядами, проходящими под всей плотиной от одного устоя до другого. Промежутки между стенками ряжей или сваями загружаются камнем. Со стороны резервуара употребляется для загрузки по возможности водонепроницаемый материал (песчано-глинистая земля). Продолжительность существования подобных плотин не более 10—15 лет, после чего они требуют или капитального ремонта, или переделки заново. Поэтому даже у нас начали прибегать к смешанному типу постройки шлюзовых плотин, делая основания и главные опоры из камня, а промежуточные опоры и затворы из дерева.
Каменные плотины были построены впервые в Испании в XVI веке. Им придавали в плане форму арки, обращенной вершиной к воде, что очень рационально. В поперечном разрезе они представлялись почти прямоугольными, страдая таким образом избытком материала (черт. 11 — плотина в Аликанте). По мере того, как аналитические способы исследования условий прочности сооружений совершенствовались, профили каменных водоудержательных плотин принимали все более и более рациональные и экономические прямолинейные очертания (черт. 14 — плотина в С. Шамон, черт. 15 — плотина в Furens); только в исключительных случаях очень длинных плотин и требований особого запаса прочности придают каменным плотинам трапецоидные очертания (черт. 13 — плотина в Gileppe y Vervicos). Возвышение гребня плотины над высокими водами определяется величиной волн, которые могут образоваться на поверхности резервуара, и применяется в пределах от 50 сантиметров до 3,60 метра для глубины воды от 5 до 70 метров. Ширина плотины вверху делается от 1,70 до 5,20 метра; первые цифры представляют наименьшую ширину, необходимую для сообщения между обоими берегами резервуара.
Ввиду громадного давления воды, которому плотины подвергаются, производят кладку с особой тщательностью, на лучшем гидравлическом растворе и не горизонтальными слоями, а в виде мозаики с плотной связью по всем направлениям. Основание для плотины должно быть тщательно подготовлено: верхние слои сняты, могущие быть расселины в скале заделаны кладкой или раствором и пр.
Железные плотины представляют до сих пор исключительное явление. Наибольшие из построенных в Америке плотин этого типа имеют: в Carpa — 16 метров вышины, в Quisba — 161/2 метров, и образуют резервуары в 20896000 и 9921000 куб. метров.
Необходимую принадлежность каждой водоудержательной плотины составляют приспособления для пользования водой из резервуара (водопроводы), для удаления прибылой лишней воды (водосливы) и для полного опоражнивания резервуара (водоспуски). В резервуарах с малым подпором все эти устройства могут составлять одно целое с плотиной. Если же резервуар глубок, то их обособляют. Примером первого типа устройства могут служить наши шлюзовые плотины (черт. 1 и 2), примером второго — плотины, показанные на чертеже 6, 7, 10 и в особенности 16. На черт. 6 представлена плотина нового резервуара Торси (1888) для питания Центрального канала во Франции. Все отверстия для выпуска воды устроены здесь в особой башне (черт. 7), соединенной с горизонтальным акведуком. Башня вынесена совсем из пределов земляной насыпи и верх ее сообщается с плотиной посредством особого моста. Устройство, показанное на черт. 10 и примененное в смежных резервуарах Галифакского водоснабжения, аналогично с предшествующим, отличаясь тем, что башня здесь значительно врыта в тело насыпи, образуя шахту, и что вода движется здесь в вертикальной металлической трубе. Черт. 16 представляет ситуационный план резервуара в Жилеппе (Gileppe) в Бельгии. Для выпускания воды из резервуара служат туннели НКЕ и HLD, запираемые 3-мя затворами каждый. В G находится камера, где вода отстаивается, очищается и распределяется сообразно потребностям и правам потребителей. Водосливы находятся в С и С; переливающаяся через них вода отводится каналами А и А в русло тальвега. Затворы для водовыпускных отверстий имеют разнообразные устройства. Наиболее целесообразными являются примененные в плотине Торси и представленные на чертежах 17, 18, 19 (затвор малых окон в стенах башни) и 20, 21, 22, 23 (затвор большого акведука). Вместо водосливов с успехом могут применяться сифоны, как это было сделано французским инженером Гиршем в плотине Mitterscheim.
Стоимость скопления воды посредством водоудержательных плотин, отнесенная к единице вместимости резервуара вообще, понижается с увеличением абсолютного объема резервуара. Для земляных плотин она составляет:
Во Франции от 0,087 до 0,3125 франка на куб. метр и в среднем 0,21 фр. при вместимости резервуаров от 9,3 до 15 млн. куб. метр. и высоте плотин от 14,4 до 20,4 метра. В Индии от 0,0284 до 0,0598 франка на куб. метр и в среднем 0,045 франка при вместимости резервуаров до 95 миллионов куб. метров и высоте плотины от 15,54 до 17,98 метра.
Для каменных плотин стоимость устройства на куб. метр скопленной воды составляет:
Во Франции от 0,2114 до 0,9937 и в среднем — 0,45 франка при вместимости резервуаров от 1,6 до 7,1 миллиона кубич. метров и высоте плотин до 50 метров.
В Алжире от 0,0724 до 0,40 франка и в среднем 0,225 фр. при вместимости резервуаров от 2,5 до 16 миллионов кубических метр. и высоте плотин до 30 метров. В Испании от 0,07 до 0,4112 франка и в среднем 0,08 фр. при вместимости резервуаров рт 0,06 до 17 миллионов куб. метров и высоте плотины от 6 до 40 метров.
При всем своем огромном полезном значении водоудержательные плотины могут быть источником величайших бедствий в случае, если они не выдержат напора задерживаемой ими воды. Из подобных катастроф наиболее заслуживают внимания следующие:
а) Разрушение земляной плотины в Dale близ Шеффильда вышиною в 23,95 метра (вместим. резерв. 300000 куб. метр.).
б) Разрушение каменной плотины в Пуэнтес в Испании, — основанной на сваях, забитых в хрящеватый грунт. Высота плотины 50,06 м. Вместимость резервуара 52 миллиона куб. метров. При этом несчастии погибло 608 человек и разрушено 89 домов; убытки составили 51/2 миллионов франков.
в) Разрушение плотин земляной в Хабра и каменных в Grands Cheurfos и Сиг в Алжире.
г) Разрушение плотины Сонсье в Швейцарии, признанной недостаточно прочной еще раньше, но по небрежности строителей не усиленной своевременно.
д) Разрушение плотины в Виллиамсбурге в штате Массачусетс в Америке; плотина была построена из каменной кладки на земляной насыпи и погибла вследствие медленного размывания земляной подошвы.
е) Разрушение земляной плотины в Джонстауне (Пенсильвания) вследствие чрезвычайно небрежного присмотра за водоспусками, вызвавшего переливание воды при наводке через гребень плотины. Высота плотины была всего 10 метров, длина 300 м, ширина у гребня 15 м, внизу 90 м. Водослив имел 22 м ширины, и порог его был всего на 1,20 м ниже гребня плотины. Вследствие продолжительных дождей вода стала прибывать в резервуаре на 0,25 м в час. Водослив оказался недостаточным. Сделанный наскоро второй тоже не помог. Плотина была прорвана, и 60 миллионов куб. метров воды, удерживавшихся ею, хлынули в долину. В течение 45 минут вода разрушила 12 городов.
Литература. De Lagrené, «Cours de Navigation Intérieure» (Париж, 1869); Franzius und Sonne, «Handbuch der Ingenieurwissenschäften. III Bd. Der Wasserbau» (Берлин, 1883); Guillemain, «Navigation Intérieure» (Париж, 1885); «Труды съезда инженеров Вытегорского округа» («Изв. Собр. инж. пут. сообщ.», 1885); Зброжек, «Курс внутренних водяных сообщений» (СПб., 1892, литогр. издание); G. Crugnola, «Bassins de retenue ou lacs artificiels» («Mem. des Ing. Civ.», Париж, 1892, февр.); Kirkwood, «The Brocklyn Waterworks Sewers» (Нью-Йорк, 1867); Krantz, «Sur les murs de réservoirs» (Париж, 1870) и мног. друг.
