В 1987 году, после нескольких лет исследований, правительство Бразилии официально одобрило грандиозный проект строительства сети гидроэлектростанций, способной обеспечить потребности страны в электроэнергии на многие десятилетия вперед. Из 12 запланированных плотин самую большую на тот момент предполагалось построить на реке Уругвай.
Свою роль в выборе места строительства сыграли три фактора: обилие осадков в этом районе, необходимые для высокого уровня воды размеры будущего водохранилища, а также наличие скального грунта на берегах реки и под ее руслом.
Далее нужно было определиться с типом плотины. Река быстро сметет вертикальную стену плотины, если та не окажется достаточно мощной, чтобы противостоять напору воды. Для укрепления конструкции строители могут либо сделать массивнее всю плотину, либо соорудить за ее напорной гранью — стеной, на которую оказывает давление вода, — земляную или каменную насыпь, чей вес будет противодействовать давлению воды.
Инженеры знают, что если напорную грань построить под определенным углом, вода будет придавливать плотину к земле и таким образом помогать ей оставаться на месте. На этом принципе основано строительство всех земляных плотин.
Плотины с мощной цельной стеной (их называют гравитационными) возводятся из бетона, каменных блоков или кирпича, в то время как земляные (с поддерживающей насыпью) — из песка, камней, земли и глины.
Учтя особенности места и возможность использовать местную скальную породу для сооружения насыпи, проектировщики решили, что Ита будет земляной плотиной. Ита построена насыпным методом. На месте возведения таких плотин сначала отводят воду, а затем отсыпают и утрамбовывают слои насыпи. В плотине Ита отлитую из бетона напорную грань поддерживает рукотворная гора из бутового камня высотой около 120 метров и почти километр в длину!
К тому же плотина — лишь часть целого комплекса гидротехнических сооружений, состоящего из двух дамб- перемычек, нескольких вспомогательных малых дамб, перекрывающих понижения рельефа в районе водохранилища, двух водосбросов, десяти деривационных туннелей для отвода воды из реки и, главное, самой ГЭС — гидроэлектростанции с пятью генераторами.
Чтобы определить форму и размер этих сооружений, а также понять, как поведет себя вода, когда они будут построены, инженеры сконструировали огромный макет местности. Опираясь на самые точные карты, они прочертили на бетонном полу огромного помещения в ангаре русло реки. Далее, используя для точности теодолит, они установили вдоль очертаний русла специально изготовленные деревянные шаблоны, повторяющие перепады рельефа на берегах реки. Заполнив пространство между шаблонами каменной крошкой и цементом, проектировщики получили точную копию ландшафта местности.
Воссоздав природное окружение, специалисты установили на свои места все сооружения комплекса. Наконец, в рукотворную «реку» пустили настоящую воду и на деле увидели, что представляет собой задуманная ими система. Тогда они сделали необходимые замеры и внесли необходимые изменения в проект. Информацию, полученную опытным путем, приложили к уже имевшимся материалам — техническим расчетам и отчетам геологов, после чего был утвержден окончательный проект гидротехнического комплекса.
Параллельно с созданием и испытанием макета полным ходом шла подготовка к строительству. Вверх по течению реки Уругвай, на месте будущего водохранилища, располагался небольшой город Ита, к тому же по берегам реки у многих жителей были построены загородные дома и фермы. Всех этих людей предстояло переселить: по плану, к 2001 году единственными обитателями этих мест должны были остаться рыбы. В 1990 году многие переселенцы уже обживали свои дома в Новой Ите. Улицы городка вымостили брусчаткой из Старой Иты. Здесь построили церковь и небольшой музей, в который бережно перевезли исторические реликвии старого города. Возле церкви появилось кладбище, куда были перенесены захоронения из Старой Иты. Работы по возведению гидротехнического комплекса плотины Ита начались со строительства 560 километров дорог и десяти новых мостов. Это было необходимо для перевозки рабочих, стройматериалов и оборудования к месту стройки.
Когда подготовительные работы были закончены, строители были готовы приступить к возведению плотины, но в этот момент закончились выделенные из бюджета деньги. Проект пришлось приостановить... на шесть лет! И только в 1996 году государство совместно с частными компаниями нашло средства, необходимые для продолжения строительства.
Возвести стену посреди мощного водного потока невозможно. Поэтому сначала реку пустили в обход строительной площадки. В выбранном для плотины месте река Уругвай образует огромную петлю, поэтому логичным решением было соединить между собой русло реки выше и ниже будущей плотины при помощи пяти пробитых в скалах деривационных туннелей. А чтобы заставить воду течь в эти туннели, реку перегородили большой дамбой-перемычкой. Вторую дамбу возвели ниже по течению — она не позволяла воде вернуться и затопить зону строительства. Обе дамбы, как и насыпь основной плотины, были построены из отработанной после пробивки деривационных туннелей каменной породы — базальта.
Работы по возведению плотины начались в сухой сезон. Пока одни рабочие отсыпали дамбы, чтобы отвести воду из русла в туннели, другие строили на берегах реки боковые части плотины. За центральную часть принялись, только когда были готовы обе дамбы и вода ушла. Русло осушили при помощи насосов, речное дно очистили от ила, дойдя до скального грунта, который стал прочным основанием для будущей плотины.
Если вода не может пробиться через плотину, она постарается ее обойти или отыскать путь под ней. Поэтому очень важна герметичность между напорной гранью плотины, ее основанием — подошвой — и скальным грунтом. Чтобы предотвратить проникновение воды на линии основания будущей плотины, в скальной породе была пробита траншея, в которую залили цементный раствор. Эта толстая бетонная подушка, или цокольная балка, стала элементом так называемой противофильтрационной защиты плотины. Для того чтобы увеличить прочность балки, в скалах по берегам реки и под будущей напорной гранью на одинаковом расстоянии друг от друга высверлили отверстия, в которые под напором (чтобы заполнить возможные трещины в грунте) закачали специальный цементный раствор. Затем в отверстия вставили длинные стальные прутья, накрепко связав цокольную балку со скальным основанием.
В это время на самой плотине рабочие слой за слоем отсыпали бутовый камень, наращивая тело плотины. Слои в 1-2 метра толщиной трамбовали тяжелыми виброкатками. Когда цокольная балка была готова, между ней и основной насыпью более тонкими (всего полметра) слоями начали отсыпать щебень. Эта часть плотины
называется переходной зоной. Ее возводят с особой тщательностью, так как ее задача — равномерно распределять огромную силу воды, давящую на достаточно тонкую бетонную поверхность (45 сантиметров у основания и всего лишь 31 сантиметр наверху). Каждый из слоев переходной зоны придавливали бетонными креплениями, возводя таким образом ровную поверхность, предназначенную под бетонирование напорной грани.
Два года длилось строительство основной насыпи, переходной зоны и цокольной балки. Только после этого можно было приниматься за отливку напорной грани. Она возводилась вертикальными наклонными секциями, каждая 12 метров шириной, поднимавшимися от основания до самого верха плотины. Вначале секции были ограничены по периметру деревянной опалубкой (временной конструкцией, с помощью которой бетону придают нужную форму). В нее рабочие установили каркас из стальной арматуры.
Для того чтобы укрепить жизненно важную противо- фильтрационную защиту плотины, бетон сначала залили в место стыковки напорной грани с цокольной балкой. Таким образом между ними был создан деформационный шов, который позволяет напорной грани по мере изменения уровня воды в водохранилище слегка двигаться.
После этого приступили к сооружению напорной грани плотины. При заливке каждой секции бетон подавался вниз по длинным желобам, спускавшимся сверху, с гребня плотины. Строители отливали напорную грань со специальной металлической платформы, которая постепенно поднималась вверх. Они следили за тем, чтобы бетон равномерно распределялся по поверхности секции. Из перфорированной трубы, следовавшей за платформой, на поверхность грани постоянно лилась вода, благодаря чему бетон застывал постепенно и не трескался.
Еще одна опасность для любой плотины — перелив воды через гребень. Когда путь воде преграждают напорная грань и цокольная балка, ей не остается ничего другого, кроме как попытаться преодолеть препятствие сверху. Для насыпной же плотины это — настоящая катастрофа. Чтобы ее предотвратить, плотины оснащают одним или несколькими широкими бетонными желобами — так называемыми водосбросами. Через них воду отводят от гребня плотины ниже по течению реки.
В плотине Ита два водосброса. Их вершины расположены на пару метров ниже ее гребня, чтобы в случае, если вода в водохранилище поднимется слишком высоко, ее можно было быстро сбросить. Поток воды, несущийся по водосбросам, выпускается через изогнутые стальные ворота — гидротехнические затворы. Чтобы избежать эрозии почвы в нижней части водосбросов, желоба слегка изогнуты кверху. Несущаяся по ним вниз вода в конце своего пути фонтаном взмывает вверх, после чего, не причинив никакого вреда, падает в большие резервуары — водобойные колодцы. Из них вода спокойно вливается в реку и продолжает свое путешествие вниз по течению.
Ну и последняя важная составляющая комплекса, ради которой, собственно, возводили плотину, — это электростанция. Здание электростанции обычно строят как можно ниже уровня водохранилища, чтобы направленный на турбину водный поток достигал максимальной мощи.
На плотине Ита вода начинает свое движение к электростанции через два огромных турбинных затвора. В отличие от затворов водосбросов они работают подобно решетке ворот средневекового замка — вверх-вниз. Дальше вода попадает в один из пяти туннелей — напорных трубопроводов, каждый 6 метров в диаметре. Чтобы в трубопроводы не попадал мусор, который может закупорить их или повредить находящиеся внизу турбины, перед затворами устанавливаются защитные устройства. В зависимости от размера отверстий такое устройство называется либо сороудерживающей решеткой, либо шандорным заграждением. Из-за сильнейшего давления, которое образуется внутри трубопроводов, их внутреннюю поверхность укрепляют бетоном или сталью.
Достигнув электростанции, вода оказывается в спиралевидной стальной трубе — так называемой спиральной камере турбины. Она «оборачивается» вокруг лопастного колеса. Выходя из спиральной камеры, вода давит на лопасти и вращает турбину. Вал турбины соединен с валом другого колеса, так называемого ротора, снаружи покрытого магнитами. Ротор вращается внутри огромного неподвижного кольца — статора. Движение магнитов превращает малый ток в статоре в гораздо более мощный, который потом снимается и подготавливается к дальнейшей передаче.
Все части гидротехнического комплекса Ита возводились одновременно. Строительство ГЭС обходится невероятно дорого, поэтому очень важно, чтобы такие комплексы были завершены как можно быстрее и начали работать, окупая свою стоимость. В июне 2000 года, через 13 лет после начала проектирования, электроэнергия, выработанная гидроэлектростанцией Ита, пришла в дома бразильцев.
Дэвид Маколи. Как это построено: от мостов до небоскребов.
Иллюстрированная энциклопедия