Развитие гидротехники как науки
Гидротехнические сооружения являются прикладной технической дисциплиной, базирующейся, в основном, на фундаментальной науке - механике. Без развития таких разделов механики, как механика твердых деформируемых тел и гидромеханика, становление теории гидротехнических сооружений было бы невозможно. Не случайно, что именно выдающиеся механики прошлого стали первыми теоретиками в области гидротехнических сооружений.
Первым специальным трудом по гидротехнике принято считать работу Симона Стевина, вышедшую в 1586 году. В ней впервые была дана треугольная эпюра давления воды (графическое изображение закона изменения давления воды от глубины) на верховую грань плотины. Важной вехой в теории расчета плотин является вышедший в 1750 г. труд Бернарда Фореста де Белидора, в нем приведены первые расчеты плотин на устойчивость. Французский инженер М. де Сазили впервые стал определять напряжения в гравитационных плотинах методами сопротивления материалов (1853 г.) и построил экономичный (равнопрочный) профиль гравитационной плотины при воздействии на нее двух нагрузок - собственного веса сооружения и гидростатического давления верхнего бьефа (часть водоёма, расположенная по течению выше плотины).
В России первым профессионалом-гидротехником можно считать путейского инженера Мельникова, опубликовавшего в 1836 году «Основы практической гидравлики», ему принадлежит проект расчистки порогов и строительства плотины на р.Волхов. Впоследствии Мельников стал первым русским министром путей сообщения.
Однако настоящее развитие теория гидротехнических сооружений получила, начиная со второй половины XIX века. Во многом развитию теории плотиностроения способствовал анализ нескольких аварий на плотинах, произошедших в конце века.
Первая крупная авария с каменно-набросной плотиной Джонстаун (США) произошла в 1889 г. Плотина была построена в 1839 г., в 1875 г. наращивалась до высоты 23 м. В мае 1889 г. плотина разрушилась вследствие дождевого паводка. Погибло 2 тыс. человек.
Во второй половине XIX века французы строили много ирригационных плотин в Алжире. Гравитационная плотина Хабра в Алжире высотой 38 м, шириной по подошве 26 м была разрушена в 1881 г., когда уровень воды в водохранилище поднялся выше расчетного на 4 м. В плотине образовались трещины вблизи контакта с основанием, и она потеряла устойчивость на сдвиг.
Еще более крупная авария во Франции произошла с плотиной Бузей. Гравитационная плотина Бузей (Bouzey), построенная в 1878-81 гг., имела столь обжатый профиль, что ее вряд ли рискнули бы возводить в настоящее время. При высоте 16 м она имела толщину по гребню 4 ми по подошве 12 м. В 1884 г. в низовом клине тела плотины образовалась наклонная трещина и произошел небольшой сдвиг плотины в нижний бьеф (часть водоёма, расположенная по течению ниже плотины). Плотина продолжала эксплуатироваться, и в 1895 г. плотина разрушилась на высоте 11 м ниже гребня (верхняя часть плотины) на участке в 180 м при общей длине напорного фронта (длина плотины воспринимающая гидростатическое давление) 550 м. Погибло 150 человек. Разрушение плотины вызвало широкую дискуссию, в которой приняли участие крупные инженеры и ученые того времени (Ренкин, Делор, Морис Леей). Морис Леей (1895 г.) считал, что плотина разрушилась вследствие неучета новой нагрузки - противодавления (взвешивающее давление на подошву плотины, направленное вверх). Он сформулировал требование, известное как «правило Леей»: напряжения на верховой грани плотины должны быть сжимающими и по величине не меньшими, чем gh (где g - плотность воды, h - глубина). В 1897 г. правительство Франции выпустило циркуляр, обязывавший при проектировании плотин учитывать противодавление. В начале XX века это правило стало повсеместным.
Среди плотин наиболее напряженной конструкцией является арочная плотина. Древние арочные плотины строились без расчетного обоснования и были весьма массивными. В начале XX века проявилась другая крайность: в это время в Калифорнии строилось много арочных плотин для ирригации, строительство велось также еще без должного расчетного обоснования. Многие из построенных тогда плотин настолько «смелы», что риск их эксплуатации превосходит разумные пределы.
Первой сознательно запроектированной арочной плотиной принято считать плотину, построенную в Провансе (Франция) в 1839 г. инженером Золя (отцом знаменитого писателя). Другие таковой считают плотину Золя, построенную значительно позже в Испании (1861 г.). Эта плотина имела большую высоту - 50 м, при толщине по гребню 5 м, по подошве - 49 м. По современным представлениям это плотина арочно-гравитационная. Золя для расчета арочных плотин применил теорию «чистой арки». Первой арочной плотиной, в которой в достаточной мере используется прочность материала (бетона) и развиваются высокие сжимающие напряжения, принято считать построенную в 1884 г. в Калифорнии плотину Беар Вэлли.
В конце XIX - начале XX века арочная плотина рассчитывалась либо как тонкое кольцо (котельная формула), или как тонкая арка. В 1913 году Х.Риттер предложил метод центральной консоли (конструкция жёстко закрепленная одним концом при свободном другом), который позволил учесть, что арочная плотина работает и как арка, и как стенка. Этот метод был существенно развит в 20-30е годы XX века американскими инженерами Бюро мелиорации США. Метод пробных нагрузок (арок-консолей), разработанный в Бюро мелиорации, сыграл выдающуюся роль в арочном плотиностроении. С его помощью были рассчитаны практически все современные арочные плотины. Многотомный труд Бюро мелиорации США «Treatise on Dams» («Трактат о плотинах») с описанием технологии проектирования и расчета плотин в течение полувека был настольной книгой проектировщиков всего мира. Лишь в 70-80-е годы XX века методы, описанные в «Трактате о плотинах», стали вытесняться более совершенными. Достаточно подробное описание истории развития методов расчета арочных плотин дано в специальной литературе.
Среди ученых-гидротехников XX века можно выделить специалистов по расчету и проектированию плотин Х.Вестергарда, В.Коина, Х.Риттера, М.Роша, Д.Тонини, А.Стукки, О.Зенкевича, крупнейшего специалиста по механике грунтов К.Терцаги.
В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.
