Надувные плотины

Строительство гидротехнических сооружений (ГТС) на малых реках - дело сложное и рискованное. Поскольку каждый гидропроект уникален, затраты неизбежно будут велики, а экономический эффект может оказаться весьма скромным. Снижению капитальных затрат на строительство и расходов на эксплуатацию малых гидросооружений поспособствовала родившаяся в середине прошлого века концепция конструктивно простых надувных резиновых плотин, которые поднимаются и опускаются внутренним давлением и потому не требуют специальных механизмов для регулирования стока.

В октябре 1961 года американский инженер Норман Имбертсон, работавший в Департаменте водных ресурсов и энергетики Лос-Анджелеса, подал в патентное ведомство заявку на изобретение складной плотины (collapsible dam). Нельзя сказать, что у изобретателя была голая идея - к тому времени он достаточно хорошо проработал конструкцию самой плотины, способ её монтажа, а также систему для управления уровнем воды в верхнем бьефе. Интеллектуальные права Имбертсона на изобретение были подтверждены в марте 1965-го, однако первоначальное его название не прижилось. Сегодня это творение называют надувной резиновой плотиной (inflatable rubber dam).

Вообще говоря, идея надувать замкнутую резиновую оболочку, прикреплённую к фундаменту, пришла Имбертсону ещё в 1956 году. Тогда он думал об удобном инструменте для регулирования уровня воды - надувном затворе, даже не предполагая, что подобная конструкция может удерживать большие водные массы. История умалчивает, знал ли Имбертсон, что во Франции инженер Менаже запатентовал концепцию надувной резиновой плотины ещё в конце 1940-х.

Победное шествие

После того как Имбертсон разработал и построил надувные плотины в США, они стали популярны во всём мире. Японская компания Sumitomo Electric приобрела у изобретателя лицензию, и по прошествии тридцати лет Япония стала крупнейшим в мире поставщиком резиновых плотин. В 1970-х к делу подключилась корпорация Bridgestone - известный японский поставщик колёсных покрышек. Сейчас по всему миру существует порядка шести тысяч надувных резиновых плотин (из них около четырёх тысяч - в Японии), которые служат по тридцать лет и более. В канадской провинции Онтарио одна плотина была заменена через 35 лет исправной службы. На зиму её оболочку заполняли воздухом, чтобы избежать разрушения из-за замерзания воды, а к весеннему половодью - водой, чтобы гидросооружение могло выдерживать большие нагрузки.

Изобретение Менаже и Имбертсона оказалось востребовано в первую очередь благодаря его гибкости - в прямом и переносном смыслах. Оно позволяет очень точно регулировать сток, не создавая гидравлических ударов при открывании и закрывании затворов. Скорость водосброса практически не зависит от уровня воды в верхнем бьефе, если же нужно пропустить её максимум, это можно делать сразу по всей ширине канала (см. рис. 1). Между тем проектировщики традиционных ГТС из бетона и стали всегда вынуждены искать компромисс между ёмкостью водохранилища и необходимой пропускной способностью систем водосброса.

Рис. 1. Плотина «Азмак-2» на юге Турции поддерживает уровень воды, необходимый для работы ГЭС

Не удивительно, что надувные резиновые плотины широко используются для отвода воды в системах орошения и борьбы с сезонными наводнениями; удерживая воду на поверхности, эти сооружения способствуют пополнению подземных водоносных горизонтов; они могут не позволять солёной воде проникать в пресноводные водоёмы, перегораживать штольни в угольных шахтах, защищать низинные прибрежные территории и служить другим целям.

В некоторых случаях для пропуска лодок и небольших судов плотина полностью сдувается, укладываясь на дно канала, уровни воды до и после неё выравниваются. Подобное решение служит отличной альтернативой шлюзам.

Когда нужно избавиться от накопившихся в водоёме иловых отложений и разнообразного мусора, плотину сдувают, и поток воды смывает всё это. Таким образом можно избежать дорогих и трудозатратных работ по чистке водоёма. Кстати, сколько водохранилищ в России заилено и из-за этого не выполняет свои регулирующие функции!

Конструкция

Надувные резиновые плотины - это замкнутые с обеих сторон рукава, уложенные поперек канала или русла реки на бетонное основание и прикреплённые к нему. Структура наполняется воздухом или водой, приобретая цилиндрическую форму, перегораживает водоём и поднимает уровень воды в верхнем бьефе.

Пусть слово «резиновая» не сбивает читателя с толку. Основа конструкции - многослойная ткань из синтетического волокна, которая прорезинена и снабжена армирующими элементами для придания ей износостойкости и антивандальных свойств. (В поверхностный слой может быть встроена сетка из нержавеющей стали или добавлена керамическая крошка.)

К бетонному фундаменту резиновая оболочка крепится одним либо двумя реечными прижимами с винтовыми соединениями (см. рис. 2). Фундамент делают как можно шире, чтобы удлинить путь неизбежно просачивающейся под него воды и тем самым снизить силу, с которой вода эта будет пытаться поднять всю конструкцию.

Рис. 2. Надувная резиновая плотина на бетонном основании

Длина сегмента надувной плотины обычно не превышает ста метров, но может доходить до двухсот при условии применения усиленных конструкций. Высота, как правило, - до пяти метров. Надувные плотины заполняются водой, воздухом или их комбинацией. Внутреннее давление невелико - от 0,25 до 0,7 атмосферы. В последнее время чаще используют воздушные системы, которые не замерзают зимой, легче и быстрее поддаются регулировке, однако водяные не подвержены явлению V-образного прогиба в одной точке и позволяют точнее регулировать сток.

Когда вода переливается через верх, эластичная конструкция может испытывать сильные низкочастотные вибрации, способные её повредить. Чтобы предотвратить подобные случаи, надувную плотину оснащают плавниками и дефлектором, отводящим поток воды от ската.

На некоторых крупных плотинах разработки компаний Bridgestone и Sumitomo предусмотрены внутренние инспекции. Инспекторы в специальных костюмах могут через воздушный шлюз войти в тело надутой плотины, чтобы осмотреть её состояние изнутри и при необходимости запланировать ремонтные работы.

Гибрид

Во Франции в этом веке начали использовать затворы Обермейера (разработка компании Obermeyer Hydro) - ряд наклоняемых стальных плит, подпираемых с одной стороны подушками (см. рис. 3).

Рис. 3. Затвор Обермейера во Франции на реке Соне

Меняя давление воздуха или воды в подушках, можно точно регулировать наклон плит. Каждая подушка присоединяется к трубе, через которую в систему нагнетается воздух. Подобное решение позволяет отказаться от громоздких рельсовых кранов, используемых для управления затворами ГТС.