Введение

Препятствие, останавливающее или ограничивающее поток поверхностных или подземных вод. Сооружения для накопления воды.

Плотина – это препятствие, останавливающее или ограничивающее поток поверхностных вод или подземных потоков. Водохранилища, созданные плотинами, не только предотвращают наводнения, но и обеспечивают водой для таких нужд, как орошение, потребление человеком, промышленное использование, аквакультура и судоходство. Гидроэнергетика часто используется совместно с плотинами для производства электроэнергии. Плотина также может использоваться для сбора или хранения воды, которую можно равномерно распределять между различными точками. Плотины, как правило, служат основной цели удержания воды, в то время как другие сооружения, такие как шлюзы или дамбы (также известные как дики), используются для управления или предотвращения поступления воды на определенные участки суши. Слово «плотина» восходит к среднеанглийскому языку, а ранее – к средненедерландскому, что отражено в названиях многих старых городов, таких как Амстердам и Роттердам. Древние плотины строились в Месопотамии и на Ближнем Востоке для контроля над водными ресурсами. Самая ранняя известная плотина – плотина Джава в Иордании, датируемая 3000 годом до нашей эры. Египтяне также строили плотины, например, плотину Сад-эль-Кафара для предотвращения наводнений. В современной Индии Дхолавира имела сложную систему управления водными ресурсами с 16 водохранилищами и плотинами. Великая плотина Мариб в Йемене, построенная между 1750 и 1700 годами до нашей эры, была инженерным чудом, а Эфлатун Пинар, хеттская плотина и храм источника в Турции, датируется XV и XIII веками до нашей эры. Плотина Калланай в Южной Индии, построенная во II веке нашей эры, является одной из старейших водорегулирующих конструкций, которые до сих пор используются. Римские инженеры строили плотины с использованием передовых технологий и материалов, таких как гидравлический раствор и римский бетон, что позволяло возводить более крупные сооружения. Они внедрили плотины-водохранилища, гравитационные плотины, арочные плотины, контрфорсные плотины и многоарочные контрфорсные плотины. В Иране мостовые плотины использовались для гидроэнергетики и механизмов подъема воды. В Средние века в Нидерландах строились плотины для регулирования уровня воды и предотвращения проникновения моря. В XIX веке вокруг Британской империи были возведены крупномасштабные арочные плотины, что ознаменовало прогресс в технологиях строительства плотин. Эра крупных плотин началась со строительства Асуанской плотины в Египте в 1902 году. Плотина Гувера, массивная бетонная гравитационная плотина, была построена между 1931 и 1936 годами на реке Колорадо. К 1997 году во всем мире насчитывалось около 800 000 плотин, из которых примерно 40 000 были высотой более 15 метров.

Древние плотины

Первые плотины строились в Месопотамии и на Ближнем Востоке. Плотины использовались для контроля уровня воды, поскольку погода в Месопотамии влияла на реки Тигр и Евфрат. Самая ранняя известная плотина – плотина Джава в Иордании, к северо-востоку от столицы Аммана. Эта гравитационная плотина изначально имела каменную стену, поддерживаемую земляным валом. Структура датируется 3000 годом до нашей эры. Однако самой старой из действующих плотин является плотина озера Хомс, построенная в Сирии между 1319 и 1304 годами до н.э. Древнеегипетская плотина Садд-эль-Кафара в Вади-аль-Гарави, примерно к югу от Каира, была длинной в основании и широкой. Структура была построена около 2800 или 2600 г. до н.э. в качестве дамбы для контроля над наводнениями, но была разрушена сильным дождем во время строительства или вскоре после этого. К середине – концу третьего тысячелетия до н.э. в современной Индии была построена сложная система управления водными ресурсами в Дхолавире. Система включала 16 водохранилищ, плотин и различных каналов для сбора и хранения воды. Одним из инженерных чудес древнего мира была Великая плотина Мариб в Йемене. Начатая где-то между 1750 и 1700 годами до н.э., она была сделана из утрамбованной земли – треугольной в поперечном сечении, длиной и первоначально высокой – проходящей между двумя группами скал по обеим сторонам, с которыми она была соединена существенной каменной кладкой. Ремонтные работы проводились в различные периоды, наиболее важные – около 750 г. до н.э., и через 250 лет высота плотины была увеличена до. После окончания царствования Сабы плотина попала под контроль Химяритов (около 115 г. до н.э.), которые предприняли дальнейшие улучшения, создав структуру высокой, с пятью водосбросами, двумя укрепленными каменными шлюзами, отстойным прудом и каналом до распределительного резервуара. Эти работы не были закончены до 325 года н.э., когда плотина позволила орошать.

Эфлатун Пинар – хеттская плотина и храм источника возле Коньи, Турция. Считается, что она относится к Хеттской империи между 15-м и 13-м веками до н.э. Калланай построен из необработанного камня, длиной, высоким и широким, через основной поток реки Кавери в Тамил-Наду, Южная Индия. Основная структура датируется II веком нашей эры и считается одной из старейших водоотводящих или регулирующих сооружений, которые все еще используются. Целью плотины было отвести воды Кавери через плодородную дельту для орошения через каналы. Ду Цзян Ян – старейшая сохранившаяся ирригационная система в Китае, которая включала плотину, направлявшую поток воды. Она была завершена в 251 году до н.э. Большая земляная плотина, построенная Суньшу Ао, премьер-министром Чу (государства), затопила долину в современной северной провинции Аньхой, что создало огромный оросительный резервуар (окружность 62 мили (100 км)), резервуар, который существует до сих пор.

Римская инженерия

Для строительства римских плотин характерна "способность римлян планировать и организовывать инженерное строительство в больших масштабах". Римские проектировщики впервые применили концепцию крупных водохранилищ, способных обеспечивать постоянное водоснабжение городских поселений в течение сухого сезона. Их новаторское использование водонепроницаемого гидравлического раствора и, особенно, римского бетона позволило строить плотины значительно больших размеров, чем ранее, примером чему служит плотина Харбака, обе расположенные в римской Сирии. Самой высокой римской плотиной была плотина Субиако близ Рима; ее рекордная высота оставалась непревзойденной до случайного разрушения в 1305 году. Римские инженеры регулярно использовали традиционные стандартные конструкции, такие как насыпные и каменные гравитационные плотины. Помимо этого, они проявили значительную изобретательность, предложив большинство других основных типов плотин, которые до того времени были неизвестны. К ним относятся арочно-гравитационные, арочные, контрфорсные и многоарочные контрфорсные плотины, все из которых были известны и применялись уже во II веке нашей эры (см. Список римских плотин). Римские строители также первыми возвели плотины-мосты, такие как Мост Валериана в Иране. В Иране мостовые плотины, такие как Банд-е Каисар, использовались для получения гидроэнергии посредством водяных колес, которые часто приводили в действие механизмы подъема воды. Одним из первых примеров является римский плотинный мост в Дезфуле, который мог поднимать воду на 50 локтей (около 23 м) для снабжения города. Также были известны водосбросные плотины. Были введены мельничные плотины, которые мусульманские инженеры называли Пули Булаити. Первая из них была построена в Шустаре на реке Карун в Иране, и впоследствии многие подобные плотины были возведены в других частях исламского мира. В X веке Аль-Мукаддаси описал несколько плотин в Персии. Он сообщил, что одна плотина в Ахвазе имела длину более 3000 футов (914 м), а другая, Банд-и Амир, обеспечивала орошение для 300 деревень.

Средние века

В Нидерландах, стране, расположенной в низине, часто возводили дамбы для перекрытия рек, регулирования уровня воды и предотвращения проникновения моря в болотистые местности. Такие дамбы часто становились началом городов, поскольку в этих местах было легко переправиться через реку, и оказывали влияние на голландские топонимы. Современная столица Нидерландов, Амстердам (старое название Амстелреддам), возник из дамбы на реке Амстел в конце XII века, а Роттердам – из дамбы на реке Ротте, небольшом притоке Ньиве Маас. Центральная площадь Амстердама, занимающая место первоначальной 800-летней дамбы, до сих пор называется Дамская площадь.

Промышленная революция

Римляне первыми построили арочные плотины, где реакции от опор стабилизируют конструкцию от внешнего гидростатического давления, но лишь в XIX веке инженерные навыки и доступные строительные материалы позволили возвести первые крупномасштабные арочные плотины. Три новаторских арочных плотины были построены вокруг Британской империи в начале XIX века. Генри Рассел из Королевских инженеров руководил строительством плотины Мир Алам в 1804 году для водоснабжения города Хайдарабад (она до сих пор используется). Её высота составляла [укажите высоту], и она состояла из 21 арочной пролётов переменного размера. В 1820-х и 1830-х годах подполковник Джон Бай руководил строительством канала Ридо в Канаде, недалеко от современной Оттавы, и построил серию изогнутых каменных плотин как часть системы водных путей. В частности, плотина Джонс-Фоллс, построенная Джоном Редпатом, была завершена в 1832 году как крупнейшая плотина в Северной Америке и выдающееся инженерное сооружение. Для контроля воды во время строительства в плотине были открыты два шлюза – искусственные каналы для пропуска воды. Первый находился у основания плотины с восточной стороны. Второй шлюз был сооружён на западной стороне плотины, примерно в 6 метрах над основанием. Для переключения с нижнего шлюза на верхний был перекрыт выход из озера Сэнд-Лейк. В 1850-х годах река Хантс-Крик, недалеко от города Параматта в Австралии, была перегорожена плотиной для удовлетворения потребностей растущего населения города в воде. Каменная арочная плотина была спроектирована лейтенантом Перси Симпсоном, который опирался на достижения в технике строительства плотин, сделанные Королевскими инженерами в Индии. Плотина стоила 17 000 фунтов стерлингов и была завершена в 1856 году как первая спроектированная плотина, построенная в Австралии, и вторая в мире арочная плотина, построенная по математическим расчётам. Первая такая плотина была открыта два года ранее во Франции. Это была первая французская арочная плотина индустриальной эпохи, построенная Франсуа Золой в коммуне Экс-ан-Прованс для улучшения водоснабжения после опустошившей этот район эпидемии холеры 1832 года. После получения королевского одобрения в 1844 году строительство плотины велось в течение следующего десятилетия и основывалось на математических результатах научного анализа напряжений. Плотина, расположенная в 75 милях от Уорвика в Австралии, возможно, была первой в мире бетонной арочной плотиной. В последней половине XIX века были достигнуты значительные успехи в научной теории проектирования каменных плотин. Это преобразовало проектирование плотин из искусства, основанного на эмпирических методах, в профессию, основанную на строгой научной теоретической базе. Этот новый акцент был сосредоточен на инженерных факультетах университетов во Франции и Великобритании. Уильям Джон Маккворн Рэнкин из Университета Глазго заложил теоретические основы понимания конструкций плотин в своей работе 1857 года «О стабильности рыхлой земли». Теория Рэнкина обеспечила хорошее понимание принципов проектирования плотин. Во Франции Ж. Огюстен Тортен де Сазилли объяснил механику гравитационных плотин с вертикальными гранями, а плотина Золы стала первой, построенной на основе этих принципов.

Современная эпоха

Эпоха строительства крупных плотин началась со строительства Асуанской плотины в Египте в 1902 году – гравитационной каменной контрфорсной плотины на реке Нил. После вторжения и оккупации Египта в 1882 году британцы приступили к строительству в 1898 году. Проект был разработан сэром Уильямом Уиллкоксом и включал в себя работу нескольких выдающихся инженеров того времени, в том числе сэра Бенджамина Бейкера и сэра Джона Эйрда, чья фирма John Aird & Co. выступала в качестве главного подрядчика. Капитал и финансирование предоставил Эрнест Кассель. Когда плотина была построена в период с 1899 по 1902 год, ничего подобного по масштабу ранее не предпринималось; после завершения строительства она стала крупнейшей каменной плотиной в мире. Плотина Гувера – это массивная бетонная арочно-гравитационная плотина, построенная в Чёрном каньоне реки Колорадо на границе между штатами Аризона и Невада (США) в период с 1931 по 1936 год, во время Великой депрессии. В 1928 году Конгресс одобрил проект строительства плотины для регулирования паводков, обеспечения орошения и производства гидроэлектроэнергии. Победителем в тендере на строительство плотины стал консорциум Six Companies, Inc. Строительство такой крупной бетонной конструкции было беспрецедентным, и некоторые технологии не были проверены на практике. Палящая летняя погода и отсутствие инфраструктуры вблизи строительной площадки также представляли трудности. Тем не менее, Six Companies передала плотину федеральному правительству 1 марта 1936 года, более чем на два года раньше запланированного срока. К 1997 году в мире насчитывалось около 800 000 плотин, примерно 40 000 из которых были высотой более. В 2014 году исследователи из Оксфордского университета опубликовали исследование стоимости строительства крупных плотин, основанное на крупнейшем имеющемся наборе данных, в котором зафиксированы значительные превышения сметы по большинству плотин и ставится под сомнение, оправдывают ли преимущества обычно затраты на подобные сооружения.

Типы

Плотины могут образовываться в результате деятельности человека, естественных причин или даже вмешательства диких животных, таких как бобры. Искусственные плотины обычно классифицируются по размеру (высоте), назначению или конструкции.

По структуре

В зависимости от конструкции и используемых материалов, плотины классифицируются как быстровозводимые без использования материалов, арочно-гравитационные плотины, насыпные плотины или каменные плотины, с различными подтипами.

Арковые плотины

В арочной плотине устойчивость обеспечивается сочетанием арочного и гравитационного действия. Если лицевая поверхность со стороны верхнего бьефа вертикальна, весь вес плотины должен передаваться на основание силой тяжести, в то время как распределение нормального гидростатического давления между вертикальным консольным элементом и арочным действием будет зависеть от жесткости плотины в вертикальном и горизонтальном направлениях. При наклонной лицевой поверхности верхнего бьефа распределение становится более сложным. Нормальная составляющая веса арочного кольца может восприниматься арочным действием, а нормальное гидростатическое давление распределяется, как описано выше. Для этого типа плотин более важны прочные и надежные опоры на устоях (либо контрфорсы, либо боковые стенки каньона). Наиболее подходящим местом для арочной плотины является узкий каньон с крутыми боковыми стенками, сложенными прочной породой. Безопасность арочной плотины зависит от прочности устоев боковых стенок, поэтому не только арка должна быть надежно закреплена на боковых стенках, но и состав скальных пород должен быть тщательно изучен. Существуют два типа арочных плотин: с постоянным углом и с постоянным радиусом. Плотина с постоянным радиусом использует одинаковый радиус лицевой поверхности на всех отметках плотины, что означает, что по мере сужения русла к основанию плотины центральный угол, опирающийся на лицевую поверхность, уменьшается. Плотина Джонс-Фолс в Канаде является плотиной с постоянным радиусом. Плотина с постоянным углом, также известная как плотина с переменным радиусом, поддерживает постоянным этот угол, а изменение расстояния между устоями на разных уровнях компенсируется изменением радиусов. Плотины с постоянным радиусом встречаются гораздо реже, чем плотины с постоянным углом. Плотина Паркера на реке Колорадо является арочной плотиной с постоянным углом. Схожим типом является плотина двойной кривизны или тонкостенная плотина. Примером является плотина Вайлдхорс, расположенная недалеко от города Маунтин-Сити (штат Невада, США). Этот метод строительства минимизирует количество необходимого бетона, но передает большие нагрузки на основание и устои. Внешне она похожа на арочную плотину, но имеет выраженную вертикальную кривизну, что придает ей отдаленное сходство с вогнутой линзой при взгляде с нижнего бьефа. Многоарочная плотина состоит из нескольких арочных плотин с бетонными контрфорсами в качестве опорных устоев, например, плотина Дэниела Джонсона в провинции Квебек (Канада). Многоарочная плотина требует меньше контрфорсов, чем полая гравитационная плотина, но нуждается в прочном скальном основании, поскольку нагрузки на устои значительны.

Гравитационные плотины

В гравитационной плотине сила, удерживающая плотину на месте против давления воды, – это сила земного притяжения, действующая на массу плотины. Вода оказывает боковое давление (вниз по течению) на плотину, стремясь опрокинуть её, вращая вокруг пятки (точки в нижней части плотины со стороны потока). Вес плотины противодействует этой силе, стремясь повернуть плотину в противоположном направлении вокруг пятки. Проектировщик обеспечивает достаточный вес плотины, чтобы её вес преодолел это усилие. С инженерной точки зрения, это выполняется, когда результирующая сила гравитации, действующая на плотину, и давления воды на плотину проходит по линии, расположенной выше пятки плотины (в направлении верхнего бьефа). Проектировщик стремится придать плотине такую форму, чтобы любой её участок выше определенной высоты, рассматриваемый как самостоятельная плотина, также удерживался на месте силой тяжести, то есть на верхней поверхности плотины (в направлении верхнего бьефа) не возникает растягивающих напряжений, удерживающих верхнюю часть плотины. Это делается потому, что обычно более целесообразно строить плотину из материала, просто уложенного в массив, чем обеспечивать сцепление материала при вертикальных растягивающих напряжениях. Такая форма, предотвращающая растягивающие напряжения на верхней поверхности, также устраняет сжимающие напряжения на нижней поверхности, что обеспечивает дополнительную экономию. Для этого типа плотин необходим непроницаемый фундамент с высокой несущей способностью. Проницаемые фундаменты с большей вероятностью создают подпорное давление под плотиной. Подпорное давление – это гидростатическое давление, вызванное давлением воды в водохранилище, действующим на основание плотины. Если подпорное давление достаточно велико, возникает риск дестабилизации гравитационной бетонной плотины. На подходящем участке гравитационная плотина может оказаться более предпочтительной, чем другие типы плотин. При строительстве на прочном основании гравитационная плотина, вероятно, является наиболее совершенным примером строительства плотин. Поскольку страх перед наводнениями является сильным мотивом во многих регионах, гравитационные плотины иногда строятся там, где арочная плотина была бы более экономичной. Гравитационные плотины классифицируются как "массивные" или "пустотелые" и обычно строятся из бетона или каменной кладки. Массивная форма используется чаще, хотя пустотелые плотины часто более экономичны в строительстве. Плотина Гранд-Кули – пример массивной гравитационной плотины, а шлюзы и плотина Брэддок – пример пустотелой гравитационной плотины.

Архигравитационные плотины

Гравитационная плотина может быть объединена с арочной плотиной в арочно-гравитационную плотину для районов с большими объемами водотока, но ограниченным количеством материала, пригодного для строительства чисто гравитационной плотины. Внутреннее сжатие плотины водой снижает поперечную (горизонтальную) нагрузку на неё. Таким образом, уменьшается потребность в гравитационной силе, необходимой для удержания плотины, то есть плотина может быть менее массивной. Это позволяет строить более тонкие плотины и экономить ресурсы.

Заграждения

Запруда – это особый вид дамбы, состоящий из ряда больших затворов, которые можно открывать или закрывать для регулирования количества воды, проходящей через дамбу. Затворы устанавливаются между боковыми опорами, которые несут нагрузку от воды, и часто используются для контроля и стабилизации потока воды в ирригационных системах. Примером такого типа дамбы является выведенная из эксплуатации плотина Red Bluff Diversion Dam на реке Сакраменто вблизи города Ред-Блафф, штат Калифорния. Запруды, возводимые в устьях рек или лагун для предотвращения вторжения приливных волн или использования приливного потока для получения приливной энергии, называются приливными запрудами. Плотины с фиксированным гребнем предназначены для поддержания глубины судоходного канала. Они представляют опасность для судоводителей, поскольку их трудно заметить с воды и они создают вынужденные течения, из которых сложно выбраться.

По размеру

Существует вариативность в подходах к классификации плотин различных размеров как во всем мире, так и в отдельных странах, например, в Соединенных Штатах. Размер плотины влияет на стоимость строительства, ремонта и демонтажа, а также на потенциальный масштаб и интенсивность воздействия на окружающую среду.

Большие плотины

Международная комиссия по крупным плотинам (ICOLD) определяет "большую плотину" как "плотину высотой 100 метров и более от самого низкого основания до гребня или плотину высотой от 1 до 15 метров, создающую водохранилище объемом более ". "Крупные плотины" имеют высоту более 15 метров. В докладе Всемирной комиссии по плотинам также к категории "больших" относятся плотины высотой от 15 метров с объемом водохранилища более . Гидроэлектростанции классифицируются как "высоконапорные" (высота 30 метров и более) или "низконапорные" (высота менее 30 метров). По состоянию на 2021 год Всемирный реестр плотин ICOLD содержит 58 700 записей о крупных плотинах. Самая высокая плотина в мире – плотина Цзиньпин I в Китае.

Малые плотины

Как и крупные плотины, небольшие плотины имеют множество применений, таких как, но не ограничиваясь, производство гидроэнергии, защита от наводнений и накопление воды. Малые плотины могут быть особенно полезны на фермах для сбора дождевого стока для последующего использования, например, в засушливый сезон. Маломасштабные плотины способны приносить пользу, не вызывая переселения людей, а небольшие децентрализованные гидроэлектростанции могут способствовать развитию сельских районов в развивающихся странах. Только в Соединенных Штатах насчитывается около 2 миллионов или более "малых" плотин, которые не включены в Национальный реестр плотин Инженерного корпуса армии. Данные о малых плотинах хранятся государственными регулирующими органами, поэтому информация о них фрагментирована и неравномерно представлена по географическому охвату. Couto and Olden (2018). В отличие от этого, штат Нью-Мексико определяет плотину, подлежащую юрисдикции, как плотину высотой 25 футов и более, способную накапливать более 15 акрофутов воды, или плотину, способную накапливать 50 акрофутов и более и высотой 6 футов и более (раздел 72 5 32 NMSA), что подразумевает, что плотины, не соответствующие этим требованиям, не подлежат юрисдикции. Большинство плотин США – 2,41 миллиона из общего числа 2,5 миллиона – не находятся под юрисдикцией какого-либо государственного органа (то есть не подлежат юрисдикции) и не внесены в Национальный реестр плотин (NID). Малые плотины несут риски, аналогичные рискам, связанным с крупными плотинами. Однако отсутствие регулирования (в отличие от более строго регулируемых крупных плотин) и инвентаризации малых плотин (то есть не подлежащих юрисдикции) может привести к значительным рискам как для людей, так и для экосистем. Малые плотины могут быть опасны как по отдельности (то есть могут разрушиться), так и в совокупности, поскольку скопление небольших плотин вдоль реки или в пределах определенной территории может увеличить риски. Исследование, проведенное Грэмом в 1999 году, посвященное авариям на плотинах в США, приведшим к гибели людей в период с 1960 по 1998 год, показало, что разрушение плотин высотой от 6,1 до 15 м (типичный диапазон высоты небольших плотин) стало причиной 86% смертей, а разрушение плотин высотой менее 6,1 м – 2% смертей. Плотины, не подлежащие юрисдикции, могут представлять опасность, поскольку их проектирование, строительство, обслуживание и мониторинг не регулируются. Существует два типа подземных плотин: "подповерхностные" и "для хранения песка". Подповерхностная плотина строится поперек водоносного горизонта или дренажного пути от водонепроницаемого слоя (например, сплошной скальной породы) до чуть ниже поверхности. Они могут быть построены из различных материалов, включая кирпич, камень, бетон, сталь или ПВХ. После строительства вода, накапливаемая за плотиной, повышает уровень грунтовых вод, которая затем извлекается с помощью скважин. Плотина для хранения песка – это дамба, построенная поэтапно поперек ручья или вади. Она должна быть прочной, так как во время паводков вода будет переливаться через ее гребень. Со временем песок накапливается слоями за плотиной, что способствует накоплению воды и, что наиболее важно, предотвращает испарение. Накопленную воду можно извлекать с помощью скважины, через тело плотины или с помощью дренажной трубы.

Запруда для отвода хвоста

Опорная плотина – это, как правило, земляная плотина, используемая для хранения хвостохранилищ, образующихся в процессе добычи полезных ископаемых после разделения ценной фракции от пустой породы. Для этой цели могут использоваться и обычные водоудерживающие плотины, но из-за их стоимости плотины для хвостохранилищ оказываются более экономически целесообразными. В отличие от водоудерживающих плотин, плотина для хвостохранилищ надстраивается поэтапно на протяжении всего срока эксплуатации месторождения. Обычно сначала возводится основание или стартовая плотина, и по мере заполнения смесью хвостовых отходов и воды она надстраивается. Материал для надстройки плотины может включать в себя сами хвостовые отходы (в зависимости от их фракции) вместе с грунтом. Существует три конструкции надстраиваемых плотин для хвостохранилищ: "вверх по течению", "вниз по течению" и "центральная", названные в соответствии с направлением смещения гребня при надстройке. Конкретный выбор конструкции зависит от топографии, геологии, климата, типа хвостовых отходов и стоимости. Плотина для хвостохранилищ типа "вверх по течению" состоит из трапециевидных уклонов, возводимых один на другой, от основания до гребня, что приводит к смещению гребня вверх по течению. Это создает относительно плоскую сторону, обращенную вниз по течению, и неровную сторону, обращенную вверх по течению, которая поддерживается шлама́ми хвостовых отходов в накопителе. Конструкция типа "вниз по течению" подразумевает последовательное надстраивание тела плотины, при котором заполнение и гребень смещаются вниз по течению. Плотина центрального типа представляет собой последовательно возводимые уклоны, располагающиеся непосредственно друг над другом, при этом заполнение размещается на стороне, обращенной вниз по течению, для обеспечения поддержки, а шлам поддерживает сторону, обращенную вверх по течению. Поскольку хвостохранилища часто содержат токсичные химические вещества, образующиеся в процессе добычи, современные конструкции включают в себя непроницаемый геомембранный экран для предотвращения фильтрации. Также необходимо контролировать уровни воды/шлама в накопителе хвостовых отходов для обеспечения стабильности и защиты окружающей среды. Большая часть электроэнергии вырабатывается крупными гидроэлектростанциями, хотя Китай широко использует маломасштабную гидрогенерацию и обеспечивает около 50% мирового производства электроэнергии данного типа. Скорость эрозии часто контролируется, а риск обычно минимизируется путем придания нижней части водосброса криволинейной формы, снижающей турбулентность потока, например, формы огивы.

Общие цели

Функция Пример Выработка электроэнергии Гидроэнергия является основным источником электроэнергии в мире. Во многих странах есть реки с достаточным расходом воды, которые можно перегородить для производства электроэнергии. Например, плотина Итайпу на реке Парана в Южной Америке генерирует 14 ГВт и обеспечивала 93% энергии, потребляемой Парагваем, и 20% энергии, потребляемой Бразилией, по состоянию на 2005 год. Водоснабжение Многие городские районы мира снабжаются водой, забираемой из рек, перегороженных низкими плотинами или водоупорными заграждениями. Примеры включают Лондон, получающий воду из Темзы, и Честер, получающий воду из реки Ди. Другие основные источники – глубокие горные водохранилища, удерживаемые высокими плотинами в глубоких долинах, такие как комплекс плотин и водохранилищ Клервен. Стабилизация водного потока / ирригация Плотины часто используются для контроля и стабилизации водного потока, часто в сельскохозяйственных целях и для орошения. Другие, такие как плотина в Бергском проливе, могут помочь стабилизировать или восстановить уровень воды во внутренних озерах и морях, в данном случае – Аральского моря. Предотвращение наводнений Плотина Кинлейсайд на реке Колумбия в Канаде может накапливать паводковые воды, а проект «Дельта» защищает Нидерланды от прибрежных наводнений. Осушение земель Плотины (часто называемые дамбами или насыпями в этом контексте) используются для предотвращения проникновения воды на территорию, которая в противном случае была бы затоплена, что позволяет осушить ее для использования человеком. Водоотвод Обычно небольшая плотина, используемая для отвода воды для орошения, выработки электроэнергии или других целей, как правило, не имеющая других функций. Иногда они используются для отвода воды в другой водоток или водохранилище, чтобы увеличить там расход и улучшить водопользование в данной конкретной области. См. водоотводная плотина. Судоходство Плотины создают глубокие водохранилища и могут также изменять расход воды вниз по течению. Это, в свою очередь, может повлиять на судоходство вверх и вниз по течению, изменяя глубину реки. Большая глубина увеличивает или создает свободу передвижения для судов. Для этого могут использоваться крупные плотины, но чаще всего применяются водоупорные заграждения и шлюзы. Некоторые из этих целей противоречат друг другу, и оператору плотины необходимо находить динамические компромиссы. Например, выработка электроэнергии и водоснабжение требуют поддержания высокого уровня воды в водохранилище, в то время как предотвращение наводнений требует поддержания низкого уровня. Многие плотины в районах с годовыми колебаниями осадков также будут испытывать годовые колебания уровня воды в водохранилище в попытке сбалансировать эти различные цели. Управление плотинами становится сложной задачей, требующей учета интересов различных сторон.

Оценка воздействия

Влияние оценивается несколькими способами: польза для человеческого общества, которую приносит плотина (сельское хозяйство, водоснабжение, предотвращение ущерба и производство электроэнергии), воздействие на природу и дикую природу (как положительное, так и отрицательное), влияние на геологию местности (увеличится или уменьшится стабильность в результате изменения водного потока и уровня воды), а также нарушение жизни людей (переселение, утрата археологических или культурных ценностей, находящихся под водой).

Влияние на окружающую среду

Резервуары, создаваемые плотинами, оказывают влияние на многие экологические аспекты реки. Топография и динамика рек зависят от широкого диапазона расходов воды, в то время как реки ниже плотин часто испытывают длительные периоды очень стабильных гидрологических условий или скачкообразные изменения расхода, вызванные сбросами воды с последующими периодами без сброса. Вода, выпускаемая из водохранилища, включая воду, выходящую из турбины, обычно содержит очень мало взвешенных частиц, что, в свою очередь, может приводить к размыву русла реки и потере берегов; например, суточные циклические колебания расхода, вызванные плотиной Глен-Каньон, способствовали эрозии песчаных отмелей. Старые плотины часто не оборудованы рыбоходом, что препятствует миграции многих рыб вверх по течению к естественным местам нереста, вызывая нарушение циклов размножения или блокирование путей миграции. Даже рыбоходы не предотвращают сокращение количества рыб, достигающих нерестилищ выше по течению. В некоторых районах молодь рыб ("смолты") транспортируется баржами вниз по течению в определенные периоды года. Разработка конструкций турбин и электростанций с меньшим воздействием на водные организмы является активной областью исследований. Вместе с тем, некоторые конкретные плотины могут способствовать созданию более благоприятных условий для определенных видов рыб и других водных организмов. Исследования показали ключевую роль притоков в нижележащих участках реки от основного водохранилища, что влияет на местные экологические условия и модели бета-разнообразия каждой биологической группы. Как сменяемость, так и различия в видовом богатстве вносили вклад в высокие значения общего бета-разнообразия для рыб (среднее = 0,77) и фитопланктона (среднее = 0,79), но их относительная важность была больше связана с компонентом сменяемости для обеих биологических групп (среднее = 0,45 и 0,52 соответственно). Эти изменения можно объяснить тем, что рыбы приобрели "различные пищевые привычки, и почти все виды встречаются более чем в одной группе. Большие водохранилища, образованные плотинами, указывались как фактор, способствующий сейсмической активности из-за изменений водной нагрузки и/или уровня грунтовых вод. Однако это ошибочное предположение, поскольку относительно незначительное напряжение, вызванное водной нагрузкой, на порядки величины меньше силы землетрясения. Увеличенного напряжения от водной нагрузки недостаточно для разрушения земной коры и, следовательно, оно не усиливает интенсивность землетрясений. Также было установлено, что плотины влияют на глобальное потепление. Изменение уровня воды в водохранилищах является источником парниковых газов, таких как метан. Хотя плотины и вода за ними занимают лишь небольшую часть поверхности Земли, они содержат биологическую активность, которая может производить значительное количество парниковых газов.

Социальное воздействие человека

Воздействие плотин на человеческое общество значительно. Ник Каллатер утверждает в книге «Голодный мир: американская борьба с бедностью в Азии в эпоху холодной войны», что строительство плотин требует от государства перемещения людей во имя общего блага, и что это часто приводит к злоупотреблениям со стороны проектировщиков. Он приводит слова министра внутренних дел Индии Морарджи Десаи, который в 1960 году, обращаясь к жителям деревень, обеспокоенным строительством плотины Понг, пригрозил «открыть шлюзы» и затопить их, если они не будут сотрудничать. Плотина «Три ущелья» на реке Янцзы в Китае более чем в пять раз превосходит плотину Гувера в США по размерам. Она создает водохранилище, предназначенное для долгосрочного использования в целях борьбы с наводнениями и выработки гидроэлектроэнергии. Её строительство потребовало потери более миллиона домов и массового переселения людей, утраты множества ценных археологических и культурных объектов, а также привело к значительным экологическим изменениям. Во время наводнений в Китае в 2010 году плотина предотвратила катастрофическое наводнение, и уровень воды в огромном водохранилище поднялся на 4 метра за одну ночь. По оценкам на 2008 год, в результате строительства плотин по всему миру было вынуждено покинуть свои дома от 40 до 80 миллионов человек.

Экономика

Строительство гидроэлектростанции требует значительного времени на проведение изысканий площадки, гидрологических исследований и оценку воздействия на окружающую среду, и является масштабным проектом по сравнению с электростанциями, работающими на ископаемом топливе. Количество площадок, экономически целесообразных для гидроэнергетики, ограничено; новые площадки, как правило, расположены удалённо от населённых пунктов и обычно требуют строительства протяжённых линий электропередачи. Гидроэнергетика может быть уязвима к существенным изменениям климата, включая колебания количества осадков, уровня подземных и поверхностных вод, а также таяния ледников, что влечёт за собой дополнительные затраты на резервные мощности для обеспечения достаточного энергоснабжения в маловодные годы. После завершения строительства, при грамотном проектировании и обслуживании, гидроэлектростанция обычно является сравнительно недорогим и надёжным источником энергии. Она не требует топлива и характеризуется низким риском аварий, а как источник чистой энергии она дешевле как атомной, так и ветровой энергетики. В отличие от ветроэнергетики, гидроэнергетику легче регулировать для накопления воды и выработки электроэнергии высокой мощности по требованию.

Улучшение водоемов и плотин

Несмотря на некоторые положительные эффекты, строительство плотин оказывает серьезное негативное воздействие на речные экосистемы, приводя к деградации прибрежных экосистем в результате изменения гидрологического режима. Одним из основных способов снижения негативного воздействия водохранилищ и плотин является внедрение новейшей модели оптимизации водохранилищ, основанной на природных решениях, для разрешения конфликта между потребностями человека в воде и защитой речных экосистем. К последствиям удаления плотин относятся эрозия донных отложений в водохранилище, увеличение поступления донных отложений вниз по течению, увеличение ширины реки и ее разветвление, восстановление естественной температуры воды и повторная колонизация мест обитания, которые ранее были недоступны из-за плотин. В результате восстановлена поставка донных отложений и древесины в нижнее течение реки и дельту. Приблизительно 65% донных отложений, накопленных в водохранилищах, подверглись эрозии, из которых около 10% отложилось в русле реки. Оставшиеся около 90% были перенесены к побережью. В целом, возобновление доставки донных отложений привело к увеличению площади дельты примерно на 60 гектаров, а также к усилению разветвленности русла реки.

Неудача

Неисправности дамб обычно приводят к катастрофическим последствиям, если конструкция нарушена или значительно повреждена. Регулярный мониторинг деформаций и просачивания из дренажей в крупных плотинах и вокруг них позволяет прогнозировать возможные проблемы и принимать меры по их устранению до возникновения структурного разрушения. Большинство плотин оснащены механизмами для снижения уровня воды в водохранилище или даже его полного осушения в случае возникновения подобных проблем. Другим решением может быть цементирование грунта – нагнетание под давлением цементного раствора в слабые трещиноватые породы. Во время вооруженного конфликта дамба рассматривается как «объект, содержащий опасные силы» из-за масштабного воздействия возможного разрушения на гражданское население и окружающую среду. В связи с этим, она находится под защитой норм международного гуманитарного права (МГП) и не может быть объектом нападения, если это может повлечь за собой значительные потери среди гражданского населения. Для облегчения идентификации, нормы МГП определяют защитный знак, состоящий из трех ярко-оранжевых кругов, расположенных на одной оси. Основными причинами разрушения дамб являются недостаточная пропускная способность водосброса, фильтрация через тело плотины, основание или опоры, ошибки в проектировании водосброса (плотина Саут-Форк), геологическая нестабильность, вызванная изменением уровня воды при наполнении или некачественными геодезическими работами (плотины Вайонт, Малпассет, Тесталinden Creek), плохое техническое обслуживание, особенно выпускных отверстий (плотина Лаун-Лейк, обрушение плотины Вал-ди-Става), экстремальные осадки (плотина Шакидор), землетрясения, а также ошибки людей, компьютеров или проектировщиков (наводнение Буффало-Крик, водохранилище Дейл-Дайк, насосная гидроаккумулирующая станция Таум-Сок). Заметным случаем преднамеренного разрушения плотины (до принятия вышеуказанного решения) стал рейд Королевских ВВС «Dambusters» на Германию во время Второй мировой войны (операция под кодовым названием «Chastise»), в ходе которого было выбрано три немецкие плотины для разрушения с целью нанесения ущерба немецкой инфраструктуре, производственным мощностям и энергетическим ресурсам, зависящим от рек Рур и Эдер. Этот рейд впоследствии лег в основу нескольких фильмов. С 2007 года нидерландский фонд IJkdijk разрабатывает систему раннего предупреждения о разрушении дамб и диков, используя модель открытых инноваций. В рамках этой работы полномасштабные дамбы разрушаются в полевой лаборатории IJkdijk. Процесс разрушения контролируется сетью датчиков, установленных международной группой компаний и научных учреждений.