Введение
Стальная плотина – это тип дамбы (сооружение для удержания или замедления потока воды), изготовленная из стали, а не из более распространенных материалов, таких как каменная кладка, земляные работы, бетон или дерево. Было построено относительно немного таких плотин. Из трех, возведенных в США, сохранились две: стальная плотина Ашфорк-Бэйнбридж, построенная в 1898 году в пустыне Аризоны для обеспечения водой локомотивов железной дороги Atchison, Topeka and Santa Fe (ATSF), и стальная плотина Редридж, построенная в 1901 году на Верхнем полуострове штата Мичиган для снабжения водой обогатительных фабрик. Третья плотина, озеро Хаузер в Монтане, была завершена в 1907 году, но разрушилась в 1908 году. После Первой мировой войны стальные плотины признали неэкономичными, поскольку цена на сталь многократно возросла по сравнению с ценой на цемент. Однако в XXI веке их экономическая целесообразность высока благодаря снижению общих затрат на рабочую силу непосредственно на строительной площадке, уменьшению стоимости транспортировки больших объемов материалов, увеличению продолжительности строительного сезона и гибкости в планировании строительства, соответствующей нормативным требованиям и другим факторам.
Принципы работы
Стальные плотины используют ряд фундаментов, закрепленных в земле. Эти фундаменты удерживают распорки, которые, в свою очередь, поддерживают ряд настильных балок, а те – стальные плиты. Именно с этими плитами контактирует вода. Балки и плиты наклонены в сторону потока, чтобы часть веса воды оказывала на распорки и фундаменты вертикальное усилие, удерживая их на месте. Если бы плиты были вертикальными, как в стальной коффердаме, вся сила была бы горизонтальной, и для противодействия горизонтальной силе и изгибающему моменту потребовались бы гораздо более массивные распорки и анкеры.
Прямоугольные
В конструкции с прямыми распорками, показанной на иллюстрации слева, все распорки параллельны друг другу. Следовательно, в пластинчатых балках отсутствует растягивающее усилие.
С подставкой с лебедкой
На изображении слева показана консольная версия с распорными стойками, где верхняя стойка (или стойки, в зависимости от конструкции) может быть выполнена в виде консольной фермы. Поскольку все стойки опираются на один фундамент, верхняя часть палубных балок находится под натяжением, а момент от консольной части компенсируется моментом давления воды на этот участок.
Смельчатая
В обоих типах конструкций пластины обычно имеют волнистый край, как видно на иллюстрации плотины Redridge Steel Dam, выше. Это необходимо для обеспечения свободного расширения и сжатия стальных пластин при изменении температуры воды или окружающей среды.
Компромиссные решения в области проектирования
Существует два конструктивных компромисса: угол наклонной пластины и угол распорки. Увеличение угла наклона пластины к горизонтали приводит к увеличению вертикальной составляющей силы; это означает, что фундаменты испытывают меньшую горизонтальную нагрузку, но для заданного напора выше по течению требуется больше стали. Увеличение угла распорки к вертикали снижает горизонтальный момент, действующий на фундаменты, уменьшая риск сдвига.
Сбросные пути и трубы
Стальные плотины могут быть как с водосбросом, так и без него. У плотины Ashfork Bainbridge водосброса не было, но она была спроектирована таким образом, чтобы вода переливалась непосредственно через гребень, в то время как плотина Redridge имела как водосброс, так и водопровод для подачи воды на обогатительные фабрики, расположенные ниже по течению.