Плоти́на – водоподпорное гидротехническое сооружение, расположенное поперёк потока (реки, временного водотока, канала).

Оба признака отличают плотину от дамбы – последняя может и не быть подпорным сооружением (например, разделительные или оградительные дамбы в акваториях водохранилищ) или же воспринимать напор лишь время от времени (оградительные дамбы) и располагаться часто не поперёк, а, например, вдоль потока (противопаводковые дамбы). Поэтому распространившееся в последнее время в средствах массовой информации, а за ними и в официальных документах, именование плотин «дамбами» некорректно и объясняется лишь подражанием англоязычным текстам (по-английски «плотина» – dam).

Плотина – столь же древнее искусственное сооружение, как и канал. Известны древние плотины в Месопотамии, на Аравийском полуострове, в Малой Азии, Северной Африке, Иберии (Испании). Некоторые из них существуют до настоящего времени.

В наши дни плотины обычно входят в комплексы гидротехнических сооружений (гидроузлы), причём в состав напорных фронтов гидроузлов могут входить разные плотины – глухие (грунтовые, реже бетонные), водосбросные (бетонные). Кроме того, по месту расположения в составе гидроузла плотины могут получать название по перекрываемым ими элементам речной долины: например, плотины русловые, пойменные, береговые.

По назначению различают плотины водоподъёмные и водохранилищные (раньше их называли «водоудержательными»).

Задача водоподъёмных плотин – увеличение глубины водотока, что достигается при сравнительно небольших высоте плотины и создаваемом ею напоре. Значительного водоёма водоподъёмные плотины не создают и речной сток не регулируют. Такие плотины сооружались до начала ХХ в. почти исключительно «для вспомоществования судоходству», при шлюзовании рек или отдельных их участков, затруднительных для судоходства. По окончании навигации (осенью) эти плотины разбирались и в дальнейшем подпора не создавали. В половодье судоходство шло поверх них, а во время наступления межени плотины вновь устанавливались и обеспечивали приемлемые для судоходства глубины. В настоящее время для мировой гидротехнической практики такие плотины – анахронизм, но, тем не менее, они существуют и эксплуатируются на реках Москве (Москворецкая шлюзованная система, с 1878 г.), Оке (с 1914 г.), Северском Донце (с 1910–1920 гг.). Кроме того, во многих городах России на небольших реках есть водоподъёмные плотины неопределенного назначения (главным образом для формирования визуальной привлекательности речной акватории, образования пожарного водоёма, создания глубин, приемлемых для бытовых нужд населения); нередко из-за неправильной эксплуатации они провоцируют наводнения или, напротив, не обеспечивают достаточного для нужд населения подпорного уровня в зимний период.

Водохранилищные плотины создают водоём значительного объёма (водохранилище), удерживают в нём воду (почему и назывались «водоудержательными») и осуществляют из него попуски воды с определённым расходом в определённое время. Это называется регулированием стока, а сами попуски обычно получают название по своему назначению: санитарный (наименьший, допускаемый по условиям водообмена в нижнем бьефе), навигационный (для обеспечения судоходных глубин), обводнительный (для затопления пойм), энергетический (обусловленный работой ГЭС) и т.п.

Однако в настоящее время различие водоподъёмных и водохранилищных плотин стёрто, т. к. подпёртые бьефы типично водоподъёмных плотин, хоть и не подпёрты в зимне-весенний период и сток не регулируют, считаются водохранилищами и вносятся в соответствующие реестры. Это относится и к Москворецкой шлюзованной системе, и к гидроузлам на Оке, Дону и др.

По размерам (высоте), прежде всего, различают плотины малые и большие. К последним обычно относят плотины высотою 15 м более, но в некоторых случаях – плотины меньшей высоты, но значительной длины. При этом под высотой могут подразумеваться создаваемый плотиной напор (или глубина воды перед ней) или же наибольшая строительная высота: у больших плотин различие этих величин малозначительно. Все большие плотины регистрируются Международной комиссией по большим плотинам (МКБП), их количество в разных странах и его соотношения с площадью территории и объёмом годового стока рек являются важным показателем степени развития в стране водного хозяйства .

По основному материалу различают плотины грунтовые, бетонные и железобетонные, деревянные, стальные, тканевые и комбинированные из различных материалов.

Грунтовые плотины – самый древний тип плотины. По своему устройству и применяемым грунтам они очень многообразны.

Плотины из песчано-глинистых грунтов обычно называют земляными. Они могут быть однородными (из одного грунта – например, песка, супеси, суглинка), или из грунтов, различных по водопроницаемости.

Крупнообломочные грунты (галька, рваный камень) допускают возведение насыпей с весьма крутыми откосами, что позволяет существенно уменьшить объёмы плотин по сравнению с песчаными и, тем более, глинистыми грунтами: чем выше плотина, тем важнее «обжать» её профиль для уменьшения объёма. Но крупнообломочным грунтам свойственна очень высокая водопроницаемость, поэтому плотины из таких грунтов сооружают с грунтовыми или негрунтовыми противофильтрационными элементами – экранами или ядрами (диафрагмами).

Если плотина возведена из крупнообломочного грунта с грунтовым противофильтрационным элементом, её называют каменно-земляной. Если плотина возведена из камня, её традиционно называют каменно-набросной. Это название отражает определённую технологию возведения сооружения (сбрасыванием камня с высоты или «пионерно» – с одного или обоих берегов сверху по образующемуся откосу), в настоящее время обычно не применяемую (как и гравийно-галечные грунты, камень теперь обычно укладывают послойно с уплотнением катками), но такое название из употребления не выходит вследствие своей привычности.

Наконец, в мире существуют плотины старой постройки, частично или полностью возведённые из сухой каменной кладки (т.е. без связующего раствора).

Грунтовые плотины различают также по способу их возведения: бывают плотины насыпные и намывные.

Насыпные плотины возводят отсыпкой грунта с уплотнением (катками или специально направляемым автотранспортом) или в редких случаях – без уплотнения.

Намывные плотины сооружают средствами гидромеханизации: грунт и разрабатывается в карьерах, и перемещается к месту укладки, и укладывается в тело плотины (намывается) при помощи воды. Например, земляные плотины гидроузлов на р. Волге сооружались намывным способом.

Грунтовые плотины могут возводиться методом направленного взрыва – массовым выбросом грунта с одного или обоих берегов взрывом заложенных в них зарядов. Такие плотины называют взрывонабросными.

Самая высокая из грунтовых плотин (и вообще из плотин) – Нурекская каменно-земляная плотина на р. Вахш (Таджикистан, 1978). Её наибольшая строительная высота – 304 м.

Бетонные и железобетонные плотины уже к середине ХХ в. полностью вытеснили аналогичные по устройству плотины из каменной или кирпичной кладки на растворе. Различие бетонных и железобетонных плотин – не в отсутствии или наличии арматуры (бетонные плотины тоже в определенных местах армируют), а в её количестве, обусловленном конструктивными особенностями плотин: у железобетонных плотин имеются тонкие элементы (плиты), нуждающиеся в армировании.

Деревянные плотины раньше в России были чрезвычайно распространены. Древесина обычно была местным строительным материалом, а население, привлекавшееся к постройкам, обладало хорошими плотницкими навыками. За 100 лет существования Мариинской судоходной системы (после завершения полной реконструкции в 1964 г. система получила новое название – Волго-Балтийский водный путь им. В.И. Ленина) благодаря усилиям многих поколений инженеров, осуществлявших ремонты и реконструкции её сооружений, выработались оптимальные конструкции деревянных плотин и шлюзов – «русского», или «мариинского» типа.

Поскольку древесина легче воды, одни конструктивные элементы деревянных плотин прикрепляются к большому количеству погруженных в основание деревянных свай, другие (ряжи, ряжевые клетки) загружаются камнем или при его отсутствии – песком.

Стальные плотины бывают двух типов: с неподвижными металлическими частями (известны лишь несколько примеров, высота таких плотин до 22 м) и с подвижными (чаще всего – поворотными) металлическими частями – с напорами не более 3–5 м. Это, например, широко применявшиеся ранее разборчатые судоходные плотины с поворотными фермами. В зимне-весенний период плотина разобрана; после спада половодья фермы приводятся в вертикальное положение, и на них устанавливаются деревянные щитки, удерживающие воду и передающие нагрузку от неё на фермы.

Тканевые плотины – заполняемые воздухом или водой заанкеренные в основании мягкие оболочки. По существу они представляют собою развитие часто применявшегося в России вплоть до конца XIX в. подпора воды с помощью паруса при проводке судов по самым малым рекам. Эти плотины могут устраиваться на небольших реках и создавать небольшие (до 2–3 м) напоры. Для оболочек используют резинотканевые, плёночно-тканевые или плёночные материалы.

По конструктивным признакам и характеру восприятия основных нагрузок различают плотины гравитационные, арочные, контрфорсные и заанкеренные (консольные).

Гравитационные плотины обладают значительным собственным весом: он формирует силы трения на контакте сооружения с основанием, которые и оказывают сопротивление действующим на плотину сдвигающим усилиям от давления воды.

Главным недостатком гравитационных бетонных плотин справедливо считается их большой объём и, соответственно, большой расход цемента.

Самой высокой бетонной гравитационной плотиной (284 м) до настоящего времени остается плотина Гранд-Диксанс (Швейцария, 1961).

Арочные – криволинейные в плане плотины, представляющие собою своды с вертикальной осью, цилиндрические или же двоякой кривизны (купольные). Нагрузку от давления воды они передают через свои пяты на сложенные скальными породами берега. Их материал – бетон (раньше – каменная или кирпичная кладка), но есть примеры деревянных арочных плотин.

Арочные плотины сооружают обычно в узких створах (каньонах). Самой высокой арочной плотиной до сих пор остается плотина Вайонт (Италия, 1961). Плотина знаменита страшной катастрофой, происшедшей 9 октября 1963 г.: в чашу водохранилища в течение 20–30 сек. сошел оползень длиной 2 км, площадью 2 км2 и объёмом около 280 млн м3. Чаша водохранилища оказалась заполненной сползшим грунтом до высоты 175 м над уровнем воды. Через гребень плотины перехлестнул водяной вал высотой более 150 м и объёмом более 50 млн м3, который затем прошёл по нижележащим территориям со скоростью 8–12 м/с, имея при этом высоту до 90 м. Погибли около 2 тыс. человек в расположенных со стороны нижнего бьефа населённых пунктах. Плотина выдержала катастрофу. Однако водохранилище было утрачено, и плотина стала туристическим объектом.

Контрфорсные плотины – в них нагрузка от давления воды воспринимается напорным перекрытием в виде плит (массивных или тонких) или же сводов, опирающихся на вертикальные стенки – контрфорсы. Эти плотины сооружают железобетонными: армируются и контрфорсы, и плиты напорного перекрытия, и другие их конструктивные элементы.

В России есть одна большая контрфорсная плотина – Зейского водохранилища.

В классе контрфорсных плотин самая высокая – многоарочная плотина Даниэля Джонсона (Канада, 1970). Её максимальная высота 214 м, длина 1314 м.

По условиям пропуска воды различают плотины глухие (не допускающие пропуска через них воды), и водопропускные (их чаще называют водосбросными).

Ю.В. Богатырёва, А.А. Беляков