Плотины позволяют контролировать   сток рек, накапливая воду для орошения и производства электроэнергии . В то же время их строительство  часто наносит непоправимый урон окружающей среде.

(Плотина Гувера на р. Колорадо (граница штатов Аризона и Невада, США). Эта плотина высотой 221 м контролирует сток реки, накапливая воду для орошения, а ГЭС снабжает электроэнергией соседние штаты. Это гравитационная арочная плотина, устойчивость которой обеспечивается как ее массой, так и формой.)

Первые плотины представляли собой простые земляные насыпи, при помощи которых человек перегораживал реки для создания водоемов. Такие рукотворные озера служили запасом воды, жизненно важным в местности с сухим климатом,  где летом реки мелеют или вовсе пересыхают. Много плотин построили в Европе и Северной Африке,  древние римляне, широко используя камень и известковый раствор. В 1 в. н. э. по приказу императора Нерона вблизи Рима были построены три плотины для создания искусственных озер, предназначенных для отдыха и развлечений.

Промышленная революция

Промышленная революция, начавшаяся в 1760-х гг., прежде всего, потребовала улучшения транспорта. Это обусловило начало интенсивного строительства плотин во многих европейских странах. Часть из них предназначалась для повышения Уровней рек и превращения их в судоходные, другие обеспечивали водой судоходные каналы. Примерно в это же время в Англии была создана система стандартных земляных плотин для снабжения водой промышленных предприятий  В Испании до наших дней сохранились плотины и системы акведуков, построенные римлянами. Мавры, длительное время владевшие Пиренейским полуостровом, не создавали водоемов, предпочитая хранить воду в подземных хранилищах. После их изгнания строительство ирригационных плотин возродилось, и в скором времени Испания стала мировым лидером в этой области. Отсюда техника строительства распространилась по многим испанским колониям. Например, в Боливии испанцами была построена система каменных плотин, обеспечивающая постоянную подачу воды на приводимые в действие водяными колесами камнедробильные устройства серебряных рудников. В захваченной испанцами Мексике и Калифорнии также было построено большое количество плотин. Примерно в это же время в богатой лесом Но вой Англии поселенцы для обеспечения водой механических лесопилок сооружали деревянные плотины. Разработка в конце ХIХ в. эффективных гидротурбин и электрогенераторов  позволила сооружать электростанции, превращающие энергию движущейся воды в электроэнергию. Любая гидроэлектростанция (ГЭС) включает в себя плотину предназначенную для создания необходимого для работы турбины перепада уровней воды. В наше время ГЭС производят значительную часть потребляемой человечеством энергии. Например, в Норвегии почти 100% электроэнергии вырабатывается на ГЭС.

(Временами перемычка используется для отвода воды при постройке постоянной плотины. В данном случае перемычка войдет в состав постоянного сооружения.)

Земляная насыпь 

Плотина, сооруженная из материала одного вида, например из грунта, называется однородной. Многие земляные плотины, особенно на небольших реках, используются до настоящего времени. В таких плотинах обязательно должны быть предусмотрены водосливы с большой пропускной способностью, поскольку земляные плотины легко размываются при переполнении водоема. Необходимо также не допускать просачивания воды сквозь плотину или под ней, так как при этом из плотины вымывается грунт. 

(Плотина Итайпу длиной около 8 км. на р. Парана, по которой проходит бразильско-парагвайская граница.)

Стандартные конструкции 

Современные насыпные плотины неоднородны. В них обычно создается водонепроницаемая центральная часть (ядро), переходящая в такое же водонепроницаемое основание. Ядро стандартной земляной плотины, разработанной в Англии в ХIХ в., состояло из глины, а проходивший под ним ров предотвращал сдвиг сооружения. 

(Плотина Гувера с четырьмя водозаборными башнями.)

Каменная насыпь 

Каменные плотины стали широко применяться в Калифорнии во время  «золотой лихорадки» 1849 г. Первые из этих сооружений строили из не связанных между собой, сваленных в беспорядке камней, которые засыпались дерном, обеспечивающим водонепроницаемость. Позже для создания ядра плотины стали использовать камни большого размера, а поверхность, обращенную водоему, покрывать водонепроницаемой обшивкой из бревен  или бетонных плит. Чем выше перепад уровней, создаваемый плотиной, тем большее давление она должна выдерживать. Плотина, устойчивость которой обеспечивается ее массой (сила трения плотины об основание пропорциональна ее весу), называется гравитационной. Обычно такая плотина имеет форму ровной стены. В Египте вблизи Каира обнаружены остатки древнейшей гравитационной плотины, построенной в 2750 г. до н. э. Эта плотина состояла из двух параллельных стен, сложенных из камня, каждая толщиной 24 м. Промежуток между ними был засыпан гравием. Общая ширина плотины у основания составляла около 84 м. Но даже такая массивная плотина не смогла выдержать напор воды и была опрокинута ее давлением. Сплошные гравитационные плотины из камня достаточно дороги, но они используются и в наше время в тех случаях, когда вследствие природных условий давление воды нельзя рассредоточить на склоны и дно русла, и всю нагрузку должна выдерживать сама плотина. Пример гравитационной плотины сплошной каменной кладки — плотина Гранд-Кули на р. Колумбия в штате Вашингтон (США). 

(Искусственный водопад, образующийся при сбросе воды через плотину. Потенциальная энергия, которой обладает вода, находясь на уровне верхнего края плотины, превращается в кинетическую энергию движения. В турбинах, соединенных с электрогенераторами, кинетическая энергия воды преобразуется в электроэнергию.)

Арочные плотины

Арочная плотина имеет форму дуги, обращенной выпуклой поверхностью в сторону высокого уровня воды. Такая конструкция изменяет направление прилагаемых к плотине сил, распределяя нагрузку в боковом горизонтальном направлении. Главное преимущество использования арки в конструкции плотины заключается в том, что при расходовании такого же количества материала, как при строительстве гравитационной плотины, можно построить более прочную конструкцию. Поскольку такая плотина опирается не только на дно, но и на склоны речной долины или ущелья. Первыми преимущества арочных плотин в узких скалистых ущельях поняли испанцы. Одна из первых арочных плотин (15 в.) была по строена в г. Эльче. При высоте 23 м она имела толщину 10 м, т. е. отношение высоты к толщине немногим превышало 2:1 — а это слишком мало, чтобы считать ее гравитационной плотиной.

(Гидротурбина Френсиса преобразует кинетическую энергию воды в энергию вращающегося вала, который приводит в действие генератор электрического тока. Вода из расположенного за плотиной водохранилища подается к турбине по стальным трубам.)

Многоарочные плотины

При значительном увеличении радиуса дуги (спрямлении плотины) арочная структура теряет прочность, поэтому одно-арочной плотиной трудно перекрыть широкую реку. В 18 в, в Испании был найден путь решения этой проблемы. В это время здесь начали строить плотины, состоящие из нескольких дуговых сегментов небольшого радиуса, опирающихся на контрфорсы, закрепленные в дне реки. Эта конструкция оказалась очень успешной и получила широкое распространение. Она используется до настоящего времени, например, в плотине Бартлетт высотой 87 м на р. Верде в штате Аризона (США) и в плотине на р. Ингури в Грузии высотой 272 м.

(ГЭС "Тумут-3" - часть гидротехнического комплекса в Снежных горах (штат Новый Южный Уэльс, Австралия.)

Дерево и сталь

Плотина из бревен живет не более 50 лет. Это объясняет, почему в настоящее время их осталось так мало. Деревянное перекрытие редко остается водонепроницаемым дольше нескольких лет: вскоре появляется течь, и плотина начинает требовать постоянного ремонта. Однако строения из бревен могут быть незаменимы в качестве водонепроницаемой крепи при отводе воды с места строительных работ, например при строительстве опор мостов  реки. Они могут использоваться также в качестве временных перемычек при постройке постоянных плотин. Плотины с настилами из стальных пластин и стальными контрфорсами появились в 1900-х гг. Но из-за высокой стоимости и необходимости постоянного технического обслуживания они не получили широкого распространения.

(Развивающееся смещение склона однажды подвергло опасности плотину Гримвис в Йоркшире (Англия). Здесь показано решение проблемы: установка на лицевой поверхности плотины 160 железобетонных анкеров.)

Влияние на окружающую среду

Одна из проблем заключается в заиливании водоемов. Осаждаемый в водохранилище ил иногда значительно уменьшает его полезный объем. Например, озеро Мид — искусственный водоем, образовавшийся за плотиной Гувера (США), — за первые 14 лет существования потеряло из-за осаждения ила 3% своей емкости. Накопление  ила в водохранилищах может иметь и другие последствия. Например, в Египте земли в долине Нила столетиями удобрялись речным илом, попадающим на поля во время регулярных разливов. Сейчас этот процесс естественного удобрения прекратился, поскольку весь ил оседает в расположенном выше по течению Асуанском водохранилище. Следующая проблема заключается в испарении воды и, следовательно, в повышении концентрации солей. Поэтому воду некоторых водохранилищ невозможно использовать для розлива.

(Водослив плотины Лин Брайанн в Уэльсе. Для предотвращения перелива через плотину воды отводится через бетонный канал со скоростью течения около 160 км/час.)

Затопление

Затопление больших участков земли, расположенных выше по течению, также вызывает ряд проблем. При этом часто уничтожаются целые населенные пункты с тысячами жителей, вынужденными переселяться в другие места. Большой ущерб затопление наносит дикой природе и сельскохозяйственным угодьям. Могут оказаться под водой древние памятники, как это произошло на Ниле, или, как при строительстве плотины на р. Янцзы, уникальные по красоте ландшафты. Поскольку потребность в энергии все время возрастает, плотины часто строят в местах, раньше считавшихся для этого непригодными. Иногда плотины строят даже в землетрясений. Действительно, в некоторых регионах после постройки плотин отмечаются слабые подземные толчки, которые не наблюдались раньше.

(Современные плотины из бетона имеют относительно небольшую толщину. В отличие от гравитационных плотин, которые могут выдержать значительное давление воды благодаря своей массе, прочность арочных плотин обеспечивается их формой.)

См также:

• Древесина и бумага
• Строительство туннелей
• Строительство дорог
• Землетрясения
• Небоскребы