Плотины

Гидроэлектростанция (ГЭС) – это комплекс сложных гидротехнических сооружений и оборудования. Его назначение – преобразовывать энергию потока воды в электрическую энергию. Гидравлическая турбина – главный двигатель на ГЭС. С ее помощью энергия воды, движущейся под напором, превращается в механическую энергию вращения, которая затем, благодаря электрическому генератору, преобразуется в электрическую энергию.

Важнейшее гидротехническое сооружение – плотина. Строится она поперек реки от берега до берега и перекрывает русло реки, что препятствует свободному стоку ее вод. Перегородив реку, плотина с одной своей стороны удерживает воду на более высоком уровне, чем с другой, создавая перепад в уровнях и увеличивая тем самым ее энергию. Ведь энергия падающей воды намного больше, чем энергия спокойно текущей воды. Плотины строят для использования водной энергии и производства электроэнергии, для задержания паводковых вод (орошение полей), для водоснабжения крупных городов, улучшения судоходства по рекам. Плотины бывают глухие, ни при каких условиях не пропускающие воду с высокого уровня на нижний, и водосливные, допускающие перелив воды через гребень плотины.

Плотина, которая является частью гидроэлектростанции, – водосливная. В ее теле – водопропускные отверстия, через которые вода с верхнего уровня сбрасывается в нижний. Падающая вода приводит во вращение гидравлические турбины – главные двигатели ГЭС, вырабатывающие электроэнергию.

Высота перепада (как говорят специалисты – напора), создаваемого плотиной, определяется требованиями энергетики, ведь энергия, вырабатываемая ГЭС, зависит не только от количества пропускаемой плотиной воды, но и от высоты, с которой она сбрасывается.

Высоту плотины определяет строительный материал, из которого ее сооружают. Плотины бывают земляные, каменные, каменно-земляные, бетонные и железобетонные.

Наиболее распространены среди средних и крупных плотин бетонные и железобетонные. По конструкции они подразделяются на массивные (гравитационные), арочные и гравитационно-арочные. Массивные плотины противостоят силе давления воды собственным весом. Арочные плотины строятся криволинейными, благодаря этому они передают нагрузку со стороны водохранилища на скалистые берега. Арочно-гравитационные плотины противостоят нагрузке и собственным весом, и упором на берега.

Самые древние плотины были обнаружены в Иерусалиме и у Джавы в Иордании. Эти земляные дамбы с каменной облицовкой построили еще в 3200 году до нашей эры.

Сегодня самые высокие плотины в мире находятся на территории бывшего СССР: высота плотины Ингурской ГЭС – 271,5 метров, Токтогульской ГЭС – 215 метров, Саяно-Шушенской ГЭС – 245 метров. Самая высокая в мире плотина Нурекской ГЭС – 310 метров.

Саяно-Шушенская плотина – самая мощная в мире. Она рассчитана на нагрузку 18 миллионов тонн от водохранилища.

Самая высокая плотина в Африке построена в 1971 году в Египте у города Асуан. Эта плотина (Садд-эль-Али) позволила установить контроль над ежегодным половодьем Нила. За счет строительства плотины стало возможным возделывать больше земли. Хотя тут же возникли другие проблемы. Так, например, изменился состав почвы вокруг дельты Нила за счет повышенного содержания соли в воде и перемены климата в этом регионе.

Асуан – город на восточном берегу Нила. Он расположен в 966 километрах к югу от Каира. Плотина находится в 13 километраж вверх по течению, к югу от Асуана. Примерно в шести километрах вниз по течению находится старая Асуанская плотина, которая была закончена в 1902 году. В те времена это была самая большая плотина мира, и арабы называли ее Эль-Садд.

Высота новой Асуанской плотины составила 111 метров, длина – 3,8 километра. В основании она по ширине равна 975 метрам и сужается к верхнему краю до 40 метров.

На строительство плотины пошло такое количество камней, песка, глины и бетона, что из этого материала можно было бы соорудить целых семнадцать пирамид Хеопса.

Поверх плотины пустили четырехполосную дорогу. Канал на восточной стороне плотины приводит в движение турбины гидроэлектростанции. Образовавшийся гигантский водный резервуар получил имя президента Египта Насера. Это одно из самых больших искусственных озер мира. Оно занимает площадь 5244 квадратных километра и простирается на 510 километров к югу, через Нубию к Судану.

Плотину спроектировали в Германии, а построили с помощью Советского Союза. Сооружение ее стоило жизни 451 человеку. Из-за ее строительства потеряли жилище 60000 нубийцев и жителей Судана. Они вынуждены были переселиться в другие места. Воды искусственного озера поглотили многочисленные древние памятники. Лишь самые важные из них были спасены благодаря беспримерной акции ЮНЕСКО. Так, скальные храмы Абу-Симбела близ границы Египта и Судана были вырублены и перенесены в безопасное место.

Самая мощная в мире гидроэлектростанция находится в Южной Америке. 13 октября 1982 года в Бразилии было завершено сооружение плотины Итайпу, которая сумела обуздать бурные воды реки Парана, или, как ее еще называют, – «Матери моря». Впервые в мире на столь могучей реке удалось реализовать уникальную гидротехническую операцию. На дно реки опустили двенадцать огромных ворот, закрывающихся с помощью гидравлики. На всю операцию ушло ровно восемь минут. Затем в течение двух недель воды реки поднимались, остановленные гигантской бетонной стеной, до запланированной отметки 100 метров. С этой высоты начался сброс воды по специальному каналу, достигнув вскоре планового уровня – 60000 кубометров в час.

В настоящее время в Бразилии разработан грандиозный план сооружения на реке Паране и ее притоках целой системы гидроэлектростанций. Всего он насчитывает более тридцати проектов, из которых часть находится еще в стадии подготовки, а часть – уже в стадии строительства. Реализация плана позволит производить 25 миллионов киловатт электроэнергии, не считая того, что вырабатывает уже Итайпу. Генераторы энергоблока гидроэлектростанции самые мощные в мире, каждый из них производит 700000 киловатт. Общая мощность гидроэлектростанции оценивается в 12,6 миллиона киловатт.

Проект Итайпу зародился еще до нефтяного кризиса 1973 года. Последний лишь укрепил намерения бразильского правительства полнее использовать необъятные энергоресурсы страны. Эксплуатацию гидроэлектростанции ведет компания «Итайпу-Бинасионал», созданная в 1973 году. Она принадлежит Бразилии и Парагваю, странам, делящим между собой произведенную электроэнергию. Название «Итайпу» означает буквально «Поющий камень» и поэтически передает шум воды, перекатывающейся через каменистые пороги.

Стоимость электростанции – одиннадцать миллиардов долларов. На ее строительстве работало 28000 рабочих. Гигантская бетонная плотина, которая в пять раз больше Асуанской, установлена в двадцати километрах к северу от города Фос-ду-Игуасу. Ее длина – почти 8 километров, высота – 196 метров, ширина – 400 метров. Для возведения этого грандиозного сооружения понадобилось отвести реку по двухкилометровому каналу шириной 150 метров, пробитому в скалах. После того как реку отвели, потребовалось время на высыхание русла, так что строительство плотины было начато только в 1979 году.

Преградив течение реки, плотина образовала искусственное озеро площадью 1340 квадратных километров. Перед затоплением этого района отсюда были вывезены все сколько-нибудь значительные археологические памятники – всего около трехсот. Уже после затопления в районе водохранилища была проведена реадаптация многих видов животных, обитавших здесь до затопления. Кроме того, по берегам искусственного озера было высажено 20 миллионов деревьев.

Судоходные каналы

В местах многих древних волоков проложены каналы – искусственные реки, которые намного сокращают длину водных путей, позволяя судам быстро переходить из одной реки в другую (например, Волго-Донской канал, соединивший Волгу с Доном). Обводные каналы позволяют кораблям миновать, обойти при помощи шлюзов плотины гидроэлектростанций.

Шлюз – это лифт для судов. Если река перегорожена плотиной, то уровень воды перед ней, в водохранилище, гораздо выше, чем в реке ниже по течению. Чтобы подняться до уровня водохранилища, судно, идущее с низовьев, заходит в шлюз – часть канала, отгороженную двумя водонепроницаемыми воротами – верхними и нижними. Как только судно вошло в шлюз, нижние ворота закрываются. Затем открываются верхние ворота. Начинается заполнение шлюза, и судно поднимается до необходимого уровня. Через открывшиеся верхние ворота судно выходит в водохранилище и продолжает путь. Спуск судов, идущих вниз по реке, осуществляется в обратном порядке.

С недавних пор вместо шлюзов на некоторых реках стали использовать судоподъемники. Судно попадает в камеру такого подъемника точно так же, как в шлюз, и вместе с камерой поднимается или опускается. А потом вся камера передвигается по рельсовым путям на другую сторону плотины, где судно выпускают в реку.

Самой большой морской шлюз «Берендрехт» находится в Бельгии. Он соединяет реку Шельду с доками Антверпена. Шлюз открыт в апреле 1989 года, длина его камеры – 500 метров, ширина – 68 метров, глубина на пороге шлюза – 13,5 метра, вес каждых из четырех раздвижных ворот (затворов) – 1500 тонн. Строительство шлюза обошлось примерно в 12 миллиардов бельгийских франков. В Бельгии находится и шлюз с самым большим подъемом с одного уровня реки на другой – 68,58 метров. Это шлюзовой подъемник у Ронкьера на канале Шарлеруа, в Брюсселе. Два 236-колесных кессона грузоподъемностью 1370 тонн каждый по наклонной плоскости преодолевают расстояние в 1432 метра в течение 22 минут. Самые глубокий шлюз – «Запорожье» на Днепровско-Бугском канале, в Белоруссии. Он может поднимать и опускать баржи на высоту 39,2 метра.

Остатки самых древних каналов в мире были обнаружены недалеко от Мандали в Ираке. Они датированы археологами IV тысячелетием до нашей эры.

Сегодня самая длинная система каналов в мире – Волго-Балтийский водный путь (бывшая Мариинская водная система). Она построена в начале XIX века и соединяет Волгу с Балтийским морем, а через Беломорско-Балтийский канал – с Белым морем. В 1964 году после коренной реконструкции эта система стала доступна для судов водоизмещением 5 тысяч тонн. Длина пути – 1100 километров, а глубина – не менее четырех метров.

Самым оживленным является Кильский канал, соединяющий Северное и Балтийское моря в Западной Германии. В 1987 году по нему было пропущено 45000 судов. Второе место занимает Суэцкий канал – более 20000 судов в год; третье – Панамский канал – более 10000 судов в год. По грузоподъемности судов на первом месте стоит Суэцкий канал, по нему проходят суда общим водоизмещением почти 440 миллионов тонн.

Открытие Суэцкого канала состоялось в ноябре 1869 года. Впрочем, идея соединить Средиземное море с Красным была не нова. Уже в VI веке до нашей эры египетский царь Нехо лелеял подобный план. Но попытка осуществить его стоила жизни 120000 рабам. В итоге он отказался от намерения проложить этот водный путь. Около 500 года до нашей эры, после завоевания Египта персами, царь Дарий возобновил проект и засвидетельствовал в надписи на плите, что канал он завершил. Греческий историк Геродот в V веке до нашей эры сообщал, что этот канал соединял два моря не по прямой и, чтобы пройти его, кораблю требовалось четыре дня. Он был достаточно широк для того, чтобы две лодки с тремя веслами на каждой могли плыть рядом. Вероятно, канал Дария проходил восточнее Нила и, как и сегодняшний водный путь, пересекал озеро. При римлянах канал был усовершенствован, но потом снова обмелел. Последующие поколения не поднялись до деяний своих предков. Планы времен венецианского государства, Людовика XIV и Наполеона, так никогда и не осуществились.

Инженеры Наполеона заложили в проект многочисленные шлюзы, потому что, по их подсчетам, разница в уровне вод между Средиземным и Красным морями составляла 10 метров. Но и после того как выяснилось, что это неверно, потребовалось еще много времени для осуществления идеи.

Канал был спланирован французским дипломатом графом Фердинандом де Лессепсом. В 1854 году он с трудом добился согласия вице-президента Мохаммеда Саида-паши (Египет в то время был частью Османской империи) и получил право приступить к строительным работам. Канал, начинаясь севернее Суэца, должен был по прямой линии пересечь озеро Тимсах и Горькие озера и достичь Средиземного моря. Де Лессепс сумел заручиться поддержкой вице-президента. Ему же удалось привлечь ряд французских акционеров, которые инвестировали средства в строительство Суэцкого канала. Удивительно, но британцы, больше других выигрывавшие от сокращения пути в Индию (канал сокращал расстояние между Лондоном и Бомбеем на 7343 километра), не купили ни одной акции. Более того, британское правительство сделало все, чтобы воспрепятствовать этому проекту. Оно осуждало его как физически невыполнимый, слишком дорогой и нерентабельный.

Строительство канала началось 25 апреля 1859 года. С этого дня и вплоть до состоявшейся через десять лет церемонии открытия работами руководил сам де Лессепс. Пришлось преодолеть множество трудностей. Вначале на строительстве работали каторжники. Позднее процесс был механизирован, а условия труда улучшены настолько, что стали привлекательными и для европейской рабочей силы. На строительстве канала работали 8213 человек и 368 верблюдов.

Длина готового канала была равна 161,9 километров от маяка в Порт-Саиде до Суэц-Роудс, глубина – 8 метрам, а ширина – 60 метрам. Через каждые 10 километров была вырыта запасная бухта. Сегодня ширина канала составляет 200 метров, и нет ни одного места, где глубина была бы менее 15 метров. По нему может пройти полностью загруженный нефтяной танкер двенадцатиметровой осадки.

Де Лессепс был прекрасным журналистом и менеджером. Он организовал пышную церемонию открытия. Для 6000 гостей были приглашены 500 поваров и 1000 лакеев. Знаменитому композитору Джузеппе Верди заказали оперу для торжественного открытия канала и нового итальянского театра в Каире. Так была создана «Аида».

С именем Фердинанда де Лессепса связано строительство другого известнейшего канала – Панамского. Увы, первая попытка вырыть этот канал окончилась неудачей. Де Лессепс учредил новую компанию. Та в 1881 году обязалась взять на себя этот труд и выкопать от океана до океана русло глубиной 9,1 метра и шириной 22 метра на уровне моря. Увы, трудности оказались непреодолимыми. Главной причиной неудачи стал не твердый скальный грунт, а повальные заболевания желтухой и малярией. Стройка превратилась в гибельную ловушку и пользовалась дурной славой. Есть данные о том, что там погибло около 20000 человек. Компания обанкротилась в 1889 году.