По способу восприятия нагрузок

Плотины по конструктивным признакам и условиям статической работы (условий работы на сдвиг) различают трех основных типов:

• гравитационные плотины;

• арочные плотины;

• контрфорсные плотины.

Особенности этих конструкций следующие:

• гравитационные плотины массивны, то есть, устойчивость их обеспечивается собственным весом – горизонтальному сдвигающему гидростатическому давлению воды в этом случае противостоит сила трения и сила сцепления, действующие по подошве плотины, которые зависят от веса плотины (рис.а);

Гравитационная (а), контрфорсная (б) и арочная (в) плотины

• устойчивость контрфорсных плотин обеспечивается не только весом самой плотины, но и весом воды в объеме призмы АВС (рис.б); эти плотины имеют большой уклон верховой грани АВ.

Такие плотины выполняются в виде вертикальных железобетонных ребер 2 (контрфорсов), на которые со стороны верхнего бьефа наклонно укладываются железобетонные плиты 1, воспринимающие давление воды. Контрфорсы соединяются между собой балками жесткости 3;

• арочные плотины работают как свод, «положенный на бок» и упирающийся своими пятами в берега. Такие плотины возводят чаще всего в узких ущельях на скальном основании (рис.в). Арочная плотина, выполненная в виде свода, воспринимает давление воды и передает часть нагрузки на скальные берега и скальное основание;

• в гравитационных облегченных плотинах предпринят ряд конструктивных мер с целью экономии дорогостоящего бетона при сохранении необходимой устойчивости сооружения.

Арочная плотина в виде единой дуги, перекрывающей речной поток от одного берега до другого, отличается прочностными достоинствами своей конструкции. Она выдерживает напор воды, благодаря трем важным свойствам, в совокупности обеспечивающим ее устойчивость:

• сопротивлению вертикальных элементов ее конструкции, которые действуют как консоли, заделанные в основание;

• массе;

• особенностям арочной конструкции, опирающейся концами на береговые устои и передающей через них напор воды.

Если речная долина относительно узка, то основную нагрузку водной массы выдерживает арка как таковая; когда русло широко, существенную роль играют и остальные два свойства.

Арочная бетонная плотина

(Хангри-Хорс на реке Флатхед в штате Монтана)

Например, у экспериментальной плотины Стивенсон-Крик, рассчитанной на перепад уровней воды 18 м, оторвалась опорная призма напорной грани при перепаде уровней 6 м, но после этого арка выдержала полную нагрузку.

При подходящем рельефе местности строительство арочной плотины экономически выгодно, поэтому в XX веке таких сооружений возведено довольно много.

Многопролетные плотины

Относительно низкие плотины на реках с широким руслом в скальном ложе нередко строят из структурных узлов в виде непрерывных пролетов между опорами, контрфорсами или фермами. Напорные перекрытия, формирующие напорную грань плотины, могут представлять собой бетонные цилиндрические арки, армированные бетонные плиты либо конструкции листовой стали или толстых деревянных досок. Угол наклона напорной поверхности плотины относительно направления течения реки обычно выбирают близким к 45°, поэтому составляющая веса воды, действующая на плотину, способствует повышению ее устойчивости. Многоарочная плотина компонуется из бетонных полуцилиндров, опирающихся краями на контрфорсы, расположенные через каждые 15 м. Низкие плотины на широких реках со скальным грунтом выгодно делать из таких многоарочных конструкций, так как арки работают в основном на сжатие, благодаря чему при строительстве достигается экономия материалов. Нижние края полуцилиндров обычно снабжаются бетонным анкерным зубом, заглубляемым в скальный грунт. В те места арок, где могут возникать растягивающие напряжения из-за температурных колебаний, вводится стальная арматура; в районах с холодным климатом бетонные арки следует делать толще, чтобы уберечь арматуру от низкотемпературной коррозии. Перекрытия могут выполняться и в виде сегментов купола.

Многоарочная бетонная плотина

(Масл-Шолс на реке Теннесси в штате Алабама)