Podobné tradiční dřevěné hráze se stavěly na území Rakouska-Uherska
Podobné tradiční dřevěné hráze se stavěly na území Rakouska-Uherska
Akumulace vody u vodní elektrárny je založena na přehrazení původního toku hrází nebo jezem. Tím se omezí volný průtok korytem a zadržovaná voda způsobí vzdutí hladiny. Postavení hráze je samozřejmě možné jen v místech s vhodným podložím a dostatečně profilovanými břehy původního koryta toku. Ideální z tohoto hlediska jsou horské kaňony, kde relativně krátká, ale vysoká hráz dokáže zvednout hladinu o desítky až stovky metrů. Těleso hráze musí být nepropustně spojeno s podložím, aby se zamezilo průsakům vody a případným erozím, které by mohly způsobit poškození vodního díla. Každá hráz vodní elektrárny by měla mít pod úrovní své koruny bezpečnostní přelivy, chránící její konstrukci v případě povodní. Důležitá je také spodní výpusť v tělese hráze, umožňující regulaci zvýšené vodní hladiny, případně částečné nebo úplné vypuštění přehrady při její revizi nebo rekonstrukci.
První malé hráze byly pravděpodobně postaveny ze dřeva, později se jako hlavní stavební materiál osvědčil kámen ve zděné formě pro menší hráze nebo v sypané formě pro velké a dlouhé hráze v údolích. V posledních desetiletích se za nejperspektivnější materiál na stavbu hrází považuje beton. Je pevný, dobře tvarovatelný, odolný vůči vodě a má dostatečně dlouhou životnost. Největší hráze se staví pro akumulační vodní elektrárny.
Nejstarší hráze jsou datovány přibližně do 3. tisíciletí př. n. l. do oblasti Středního východu. Nádrže jimi vytvořené sloužily převážně jako zásobárny vody pro zavlažování a plnily ochrannou funkci před povodněmi. Historické hráze většinou tvořily stavby kombinující zděný kámen s oboustranným zemním náspem nebo zemní jádro zpevněné z obou stran kameny. Mezi významné oblasti, kde se budovaly nejstarší hráze a přehrady patřily: Jordánsko, Egypt, Jemen, Turecko nebo Indie.
Zbytky římské hráze v Belas (Portugalsko), která byla postavena ve 3. století za účelem zásobování vodou města Olisipo
V římských dobách již stavitelé budovali větší přehradní díla zásobující osídlené oblasti vodou v sušším období. Při stavbě hrází využívali vodovzdorné malty a později i první formy betonu. Zavedli v podstatě všechny moderní typy hrází, jaké známe dnes. Jejich vynalézavost umožňovala stavět větší přehradní konstrukce než dříve a akumulovaná voda se používala i na pohon vodních kol a mlýnů.
I když Římané znali a stavěli pokrokové typy hrází, až průmyslová revoluce v 19. století umožnila využít technické dovednosti a moderní stavební materiály pro výstavbu prvních velkých klenutých hrází, takých, jak je známe dnes. Hráze vznikaly na teritoriu Britského impéria, v Austrálii, Kanadě, Francii i v dalších místech. V druhé polovině 19. století se přistupovalo k přehradním konstrukcím více vědecky a původní empirické metodiky byly nahrazeny metodami, založenými na teoretické bázi. Teoretickými otázkami výstavby přehradních hrází se začala zabývat řada renomovaných univerzit.
Betonová gravitační klenbová hráz Hooverovy přehrady na řece Colorado
Éra velkých vodních děl začala počátkem 20. století výstavbou Asuánské přehrady na Nilu a později velké Hooverovy přehrady na řece Colorado. Její betonová klenbová hráz je 220 metrů vysoká a 379 metrů dlouhá a ve své době patřila k vrcholu stavitelského umění. Postupem času se hráze pro přehrady různých velikostí stavěly po celém světě a koncem 20. století bylo evidováno více než 40 000 hrází vyšších než 15 metrů. Počet všech přehrad na světě je odhadován na přibližně 800 000.
Hráze vodních děl vytvořených člověkem se podle struktury dělí na gravitační (sypané nebo betonové), zadržující vodu jen na základě své hmotnosti, klenuté betonové hráze a hráze s opěrnými pilíři. Tyto čtyři typy jsou dále podrobněji popsány. Výběr typu hráze záleží na charakteru podloží a údolí, na dostupnosti stavebních materiálů a rozsahu vodního díla.
Sypané hráze vzdorují tlaku vody svou hmotností. Mohou být plněny zemí, nebo kameny. Návodní strana kamenné sypané gravitační hráze bývá pokryta vodotěsnou vrstvou, která může být z betonu, kamenných desek, ocelových plátů nebo jiného vodě odolného materiálu. Hráze, které jsou vyplněny zhutněnou zemí, mají vodní stranu postavenou z libovolného pevného materiálu, aby se zabránilo případné erozi výplňového materiálu. Vodotěsnost hráze zajišťuje centrální jádro – vrstva nepropustného jílu, který zabraňuje prosakování vody. V posledních letech se na jádro sypané zemní hráze často používá asfaltový beton. Jeho pružnost ho předurčuje k použití v roli materiálu jádra sypaných hrází stavěných v seismických oblastech. Zemní hráze vyžadují speciální přepady a propusti odolné vůči proudu erozivní vody.
Vzhledem k tomu, že se sypané hráze mohou plnit materiály, které jsou levné a dostupné v místě stavby nebo v jejím okolí, může být výstavba takové hráze velmi efektivní z hlediska nákladů. Především to platí pro regiony, které si finančně nemohou dovolit stavbu velké betonové hráze.
Vzdušná strana kamenné sypané hráze Sagae v oblasti Yamagata, Japonsko
Zemní sypané hráze musí být v základu poměrně široké
Přehrada Naramata v Japonsku s vysokou sypanou kamennou hrází
Sypaná hráz přehrady Ratchaprapha v Thajsku
Betonové klenuté hráze jsou tenké skořepiny, pevně ukotvené v podloží a ve strmých svazích hlubokých kaňonů. Jejich stabilita je dosažena rozložením hydrostatických sil vody do oblouku (klenby) a působením gravitačních sil hráze na podloží. Těleso hráze vypouklé proti proudu přenáší obrovský tlak vody na kamenné stěny kaňonu. Klenbové hráze jsou impozantní na pohled a vyžadují nejméně materiálu na svou stavbu.
Přehrada Parker na řece Colorado je zástupcem hrází s pevným úhlem ukotvení
Existuje několik podtypů klenutých hrází:
Dvě betonové klenbové hráze uzavírají rozdvojené údolí
Typická skořepina betonové klenbové hráze přenáší tlak vody do podloží a bočních stěn, do kterých je ukotvena
Na betonové klenuté hrázi je patrné její proměnlivé zakřivení
Gravitační hráze se většinou budují z těžké směsi betonu a kameniva a zadržují vodu jen na základě své hmotnosti, která působí proti horizontální síle zadržované vody a tlačí hráz k podloží. Tlak vody se naopak snaží převrhnout těleso hráze, přičemž nejvíce zatíženým bodem hráze je konec základny na její vzdušné straně. Betonové gravitační hráze mají trojúhelníkový průřez se silnější základnou a tenčí horní částí. Vodní strana hráze je obvykle kolmá k vodní hladině. Hráze jsou konstruovány tak, že každá její část je samostatně stabilní nezávisle od jiných částí – v tělese není horizontální přenos sil.
Typickým zástupcem rovných gravitačních betonových hrází je hráz přehrady Grand Coulee na řece Colorado
Přehrada Shasta na řece Sacramento v Kalifornii má betonovou, gravitační, mírně prohnutou hráz
Typický trojúhelníkový profil betonové gravitační hráze (Shasta/Sacramento)
Železobetonové hráze jsou na vzdušné straně vyztuženy několika pilíři. V závislosti na velikosti a konstrukci hráze jsou pilíře rozmístěny každých 5 až 30 metrů. Na samotné těleso hráze pak může být použito méně stavebních materiálů.
Opěrné pilíře nižší hráze poblíž italských Dolomitů
Tenčí hráz horského jezera je vyztužena větším množstvím podpůrných pilířů (Trentino, Itálie)
Detail pilířů horské přehradní hráze Panta de cavallers ve španělských Pyrenejích