Строительство ГЭС на вечной мерзлоте: история Вилюйской ГЭС⁠⁠1

Привет! В Якутии, где зимой температура может упасть до минус 60, а земля промерзла на 300 метров вглубь, стоит настоящий памятник инженерному гению и человеческому упрямству - Вилюйская ГЭС. Это сооружение уникально тем, что является одной из немногих гидроэлектростанций, возведенных прямо на вечной мерзлоте. Само ее существование - это решение физического парадокса, который казался невозможным: как построить здоровенную энергетическую махину, которая по сути своей греется, на грунте, которому категорически нельзя таять? В историю её создания мы сегодня и углубимся.

Вилюйская ГЭС возникла не на пустом месте. Ее рождение было предопределено одним из самых эпичных геологических открытий XX века. В 1954 году в Якутии нашли первую кимберлитовую трубку "Зарница", а через год, в 55-м, сорвали джекпот с трубкой "Мир", про эти открытия я уже рассказывал в предыдущем посте. Эти находки перевернули представление о западной Якутии и поставили резонный вопрос: как добывать алмазы в таком удалённом и суровом месте?

Ответ напрашивался сам собой: нужна энергия, причем в огромных масштабах. При этом нужна полноценная гидроэлектростанция - только такая может дать столько энергии. Именно эта нужда и определила судьбу Вилюйской ГЭС. В январе 1957 года Министерство цветной металлургии выпустило постановление о промышленном освоении алмазных месторождений, где черным по белому было прописано: начинать проектирование гидроузла. Так, ради блестящих камушков, было принято решение укротить суровую реку Вилюй (крупный приток Лены).

Проектирование Вилюйской ГЭС стало для мировой гидротехники задачей принципиально нового уровня. Инженеры, взявшиеся за этот проект, столкнулись с уникальными для гидростроительства условиями.

Как вы могли догадаться, главной головной болью стала вечная мерзлота. В районе Вилюя этот ледяной панцирь уходил вглубь на добрых 300 метров. И это не просто земля, прихваченная морозцем, это грунт, в котором лёд составляет до 40-50% объема, цементируя минеральные частицы в жёсткий монолит. Пока температура стабильно низкая, этот грунт держит нагрузку как надо. Но стоит температуре поползти вверх, начинается необратимый процесс: лед тает, грунт превращается в кашу, теряет связность, и все, что на нем стоит, ехидно проседает.

Тут и возникает фундаментальный конфликт: гидроэлектростанция - это сооружение, которое по своей сути генерирует тепло. Турбины крутятся, производя энергию, но при этом трутся и греются. Электрогенераторы тоже рассеивают часть энергии в тепло. Всё это тепло радостно уходит в окружающее пространство, в том числе и в грунт под станцией. Если этот процесс не контролировать, то со временем верхний слой мерзлоты поплывет, и фундамент станции начнет опускаться, что грозит катастрофой.

Перед инженерами встала задача, сформулированная предельно жестко: придумать конструкцию, которая удерживала бы мерзлоту под собой в замороженном состоянии, несмотря на то, что сверху стоит огромная греющаяся махина. Это был невиданный доселе инженерный вызов, требующий решений на грани фантастики.

Процесс проектирования стартовал в марте 1957 года, когда ленинградскому филиалу "Гидропроекта" поручили придумать, как все это реализовать. В июле того же года на Вилюй высадились первые изыскатели. Сначала прицеливались на створ выше устья Малой Ботуобии, но местные условия оказались настолько сложными, что пришлось искать другое место. Выбор пал на Эрбейэкский створ, который и стал окончательной локацией для будущей ГЭС.

Проектное задание первой очереди утвердили в 1960 году. Проектировщики попали в интересную ситуацию: опыта строительства таких объектов на вечной мерзлоте было совсем мало, а первая ГЭС на вечной мерзлоте в истории, Мамаканская ГЭС в Иркутской области, была несопоставима по масштабу с планируемой Вилюйской. Инженерам пришлось опираться исключительно на теорию и свою инженерную чуйку, потому что подсмотреть решения для проекта такого масштаба было негде.

Итак, фишкой Вилюйской ГЭС стала революционная конструкция, которую окрестили каменно-набросной плотиной с суглинковым экраном. Это ноу-хау родилось в результате глубокого анализа физики материалов в условиях экстремального мороза.

Сама плотина - сооружение эпичное. Длина фронта - 600 метров, высота - 75 метров (это как 25-этажный дом), а общий объем материалов переваливает за 6 миллионов кубов. Конструкция состоит из нескольких ключевых элементов, каждый из которых играет свою партию в этом инженерном ансамбле.

Основа всего - каменная наброска. Это огромные валуны и скальные обломки, уложенные в строгом порядке. Камень выбрали не просто так: он не так сильно расширяется и сжимается от температуры, как бетон, отлично пропускает воду и, главное, не теряет своих свойств при глубокой заморозке. Уложено более 6 миллионов кубов камня, и вес этой массы создает такое сопротивление, что вода, подпираемая плотиной, просто не может ее сдвинуть.

Но просто накидать камней мало - вода протечет сквозь них как через сито. Поэтому внутри плотины, со стороны водохранилища, запилили непроницаемый экран из суглинка. Этот глинистый слой толщиной в несколько метров работает как гидроизоляция, не давая воде проникнуть в тело плотины. Суглинок хорош тем, что он сохраняет прочность на холоде и обладает низкой теплопроводностью, что критически важно для защиты мерзлоты от тепла станции.

Внутри плотины также предусмотрели хитрую систему дренажей и фильтров. Если вода все-таки просочится внутрь, специальные каналы отведут ее в безопасное место через дренажные туннели, чтобы не размыло конструкцию изнутри. Эта система гарантирует, что плотина не превратится в болото и простоит долго и счастливо.

Но главный инженерный фокус заключался даже не в самой плотине, а в защите мерзлого грунта под ней. Инженеры придумали революционную систему термоконтроля, чтобы под сооружением всегда была минусовая температура.

Строили эту махину исключительно зимой, в лютый мороз. Грунт и камень укладывали слоями, предварительно прогревая мобильными тепловыми пушками (чтобы слои не смерзлись криво), а потом быстро трамбовали тяжелыми самосвалами. После завершения работ плотину оставили "дозревать" на зимовку, пока температура внутри не устаканилась на отметке минус 5,5 градусов.

Эта температура держится там и по сей день. Плотина работает как гигантский термос: суглинковый экран и дренажи не пускают тепло от станции вниз, в мерзлоту. Так что под фундаментом всегда царит вечная зима, и судя по тому, что Вилюйская ГЭС до сих пор функционирует, эта инженерная хитрость прекрасно сработала.

У руля проекта встал Евгений Никанорович Батенчук, опытный инженер-строитель, за пару лет до этого внёсший вклад в строительство Иркутской ГЭС. Летом 1958-го ЦК КПСС предложил ему возглавить "Вилюйгэсстрой". Забегая вперед: впоследствии всему каскаду Вилюйских ГЭС будет присвоено его имя, ну а Е.Н. Батенчук после работ на Вилюйской ГЭС четверть века проработает в Набережных Челнах, внеся огромный вклад в развитие промышленности этого города (поэтому в городе одна из улиц названа в его честь).

Стройка стартовала в 1960 году. Для такого масштабного гидротехнического объекта сроки были рекордно короткими. В августе 1962 года перешли от теории к практике - начали отсыпку плотины. 31 октября 1964 года русло Вилюя окончательно перекрыли, направив реку в строительную траншею. В конце 66-го траншею перекрыли, начав с весны 67-го заполнять водохранилище. Ну а 3 октября 1967 года случилось историческое событие: запустили первый агрегат Вилюйской ГЭС-1.

Условия были, как вы понимаете, суровыми: глухая тайга, ни дорог, ни жилья, ни промбазы. Логистику пришлось изобретать на ходу: сначала грузы тащили по Лене на баржах, потом везли на машинах до Мирного, а оттуда еще сотню километров пилили по зимнику до самой стройплощадки. Нормальную круглогодичную дорогу проложили только к 1965 году, до этого момента снабжение зависело от капризов погоды.

В сентябре 1970 года первую очередь мощностью 308 МВт официально сдали в эксплуатацию. К тому моменту (еще в 69-м) основные земляные работы по плотине уже закончили. Вторая очередь пошла еще бодрее. Опыт, полученный на первой фазе, позволил ускориться. Планировали четыре агрегата по 85 МВт каждый. 21 декабря 1975 введён первый агрегат ГЭС-2 (на год раньше плана), а в 1976 году в работу введены остальные три агрегата.

В 1978 году стройку полностью завершили. Суммарная мощность обеих очередей составила 648 МВт. Возведение такой махины в условиях вечной мерзлоты в рекордные сроки - EPIC WIN, никак иначе!

Успех Вилюйской ГЭС привёл к разработке проектов расширения каскада: в конце семидесятых началось строительство Светлинской ГЭС как второй ступени Вилюйского каскада ГЭС. Из-за кризиса лихих девяностых строительство застопорилось, но по итогу в нулевых Светлинская ГЭС таки заработала. Сегодня весь каскад Вилюйских ГЭС (ГЭС-1, ГЭС-2 и ГЭС-3) обеспечивает суммарную мощность свыше 957 МВт и среднегодовую выработку около 3,28 миллиарда кВт/ч, что составляет примерно 0,33% от общего потребления электроэнергии в стране.

После запуска Вилюйская ГЭС стала главной батарейкой для алмазных месторождений Якутии. Основной потребитель - гигант "АЛРОСА", но электроэнергии хватает и жителям нескольких улусов. Позже, когда потянули нефтепровод ВСТО (Восточно-Сибирский трубопроводный проект), станция стала питать еще и насосные станции этой трубы.

Интересно, что ГЭС нехило повлияла на местный климат. Вода, прокрутившись через турбины, слегка нагревается и не дает реке нормально замерзнуть ниже плотины. Даже в лютые якутские морозы Вилюй не покрывается льдом полностью, что позволяет кораблям ходить дольше обычного и радует местную флору с фауной, которым стало чуть теплее жить.

На протяжении долгого времени Вилюйская ГЭС работала в условиях изолированной энергосистемы Западной Якутии. Однако в январе 2019 года Западный энергорайон Якутии был подключен к Единой энергосистеме России. В связи с этим на Вилюйской ГЭС была проведена реконструкция оборудования и систем управления, что позволило станции войти в состав национальной энергосистемы.

Хотя Вилюйский каскад ГЭС почти в 10 раз меньше по мощности, чем Саяно-Шушенская ГЭС, этот объект по-настоящему уникален, да и имеет огромное значение для промышленности страны (особенно алмазодобывающей, конечно). По-настоящему интересный, возведенный на вечной мерзлоте, проект. Такие дела!