Конструкция станции
Саяно-Шушенская ГЭС представляет собой мощную высоконапорную гидроэлектростанцию приплотинного типа. Конструктивно сооружения ГЭС разделяются на плотину, здание ГЭС с корпусами вспомогательного назначения, водобойный колодец эксплуатационного водосброса, береговой водосброс, открытое распределительное устройство (ОРУ). Судопропускными сооружениями гидроузел не оборудован и не позволяет проход судов в нижний и верхний бьефы (на дальнюю перспективу на правом берегу было запланировано сооружение судоподъёмника). Ниже Саяно-Шушенской ГЭС расположен её контррегулятор — Майнская ГЭС мощностью 321 МВт, организационно входящая в состав Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса.
Контррегулятор гидроэлектростанции — водоём в нижнем бьефе пиковой гидроэлектростанции, служащий для полного или частичного выравнивания неравномерных расходов воды при переменном суточном или недельном режиме работы.
Плотина
Напорный фронт Саяно-Шушенской ГЭС образует уникальная бетонная арочно-гравитационная плотина, устойчивость и прочность которой обеспечивается действием собственного веса (на 60 %) и частично упором верхней арочной части в берега (на 40 %). Плотина имеет максимальную высоту 242 м, её верховая грань очерчена дугой с радиусом 600 м, ширина плотины по основанию — 105,7 м, по гребню — 25 м. Длина гребня плотины с учётом береговых врезок составляет 1074,4 м. Плотина врезана в породы левого и правого берегов на глубину 15 м и 10 м соответственно, в породы основания — на глубину до 5 м. В поперечном разрезе плотина выполнена в виде четырёх столбов бетонирования толщиной 27 м. В теле плотины размещены 10 продольных галерей (9 в первом столбе и одна — в третьем), служащих для размещения контрольно-измерительной аппаратуры (около 11 000 единиц), наблюдения за состоянием плотины и выполнения ремонтных работ; нижние галереи также служат для сбора и отвода дренажных и фильтрующихся вод и для обслуживания цементационной завесы в основании плотины; кроме того, в плотине на расстоянии 10—18 м от напорной грани выполнен дренаж. По условиям бетонирования и омоноличивания тела плотины её массив разделён радиальными швами на 68 секций шириной 15 м. Основание плотины укреплено площадной цементацией на глубину до 30 м; в основании устроена глубокая (до 100 м) цементационная завеса, сопрягающая завеса под верховой гранью (до 65 м), а также скважинный дренаж (максимальная глубина дренируемой зоны — 43 м, в русле размещено 268 дренажных скважин).
Отметка гребня плотины находится на высоте 547 м, где расположена подпорная стенка со стороны верхнего бьефа. Низовая часть гребня с отметкой 542 м и шириной 9 м предназначена для технологического автодорожного проезда через плотину. С правого берега подъезд к гребню плотины осуществляется по открытой автодороге, с левого берега — по тоннелю длиной 1100 м и далее также по открытой автодороге вдоль ОРУ. Плотина Саяно-Шушенской ГЭС является самой высокой в России и находится на седьмом месте среди существующих плотин в мире; кроме того, она является самой высокой в мире плотиной арочно-гравитационного типа. Отношение пролёта плотины к её высоте (~4,5) является почти предельным для такого типа плотин. Арочно-гравитационную плотину в России имеет ещё только одна ГЭС — Гергебильская(Дагестан), но она намного меньше. В плотину Саяно-Шушенской ГЭС уложено 9,075 миллионов м³ бетона.
Плотина разделяется на левобережную глухую часть длиной 252,8 м (секции 0—15), станционную часть длиной 331,8 м (секции 16—36), водосбросную часть длиной 189,6 м (секции 38—48) и правобережную глухую часть длиной 300,2 м (секции 49—67). Левобережная и правобережная части осуществляют сопряжение плотины с берегами. В чётных секциях станционной части размещены 10 водоприёмников ГЭС, переходящих в турбинные водоводы, идущие вначале в теле плотины, а затем по её низовой грани. Водоприёмники ГЭС имеют пороги на отметке 479,0 м и могут перекрываться аварийно-ремонтными затворами. Сороудерживающие решётки водоприёмников выполнены по типу «корзинки», выступающей пятиугольным эркером за верховую грань плотины и поддерживаемой консолью с наибольшим вылетом 16 м. Сталежелезобетонные напорные водоводы имеют внутренний диаметр 7,5 м; толщина железобетонной облицовки — 1,5 м. В строительный период в станционной части плотины были размещены временные водоприёмники гидроагрегатов № 1—6 с отметками порогов: № 1 и № 2 — 369,5 м, № 3 — 408,5 м, № 4—6 — 426,5 м. Водоводы этих водоприёмников, размещённые в теле плотины, в настоящее время забетонированы. В водосбросной части плотины размещены 11 эксплуатационных водосбросов с отметками порогов на входе 479,0 м, в нижней части плотины расположены строительные водосбросы I и II ярусов, в настоящее время забетонированные.
При проектировании сейсмичность района расположения плотины оценивалась в 7 баллов по шкале MSK-64. Позднее, после дополнительно проведённых исследований, сейсмичность была увеличена до 8 баллов, что потребовало проведения дополнительных расчётов сейсмостойкости плотины. Результаты расчётов показали, что при землетрясении силой 8 баллов сейсмостойкость плотины обеспечивается.
Эксплуатационный водосброс
Эксплуатационный водосброс предназначен для сброса избыточного притока воды в половодье и паводки, который не может быть пропущен через гидроагрегаты ГЭС либо аккумулирован в водохранилище. Проектная максимальная пропускная способность эксплуатационного водосброса составляет 13 600 м³/сек, фактическая при отметке водохранилища 540 м — 13 090 м³/сек. Конструктивно эксплуатационный водосброс состоит из водоприёмников, водосбросных лотков, водобойного колодца и рисбермы. Водоприёмники 11 лотков водосброса размещены в водосбросной части плотины, их пролёты размерами 8,2×5,4 м перекрываются плоскими колёсными затворами, маневрирование которыми осуществляется при помощи двух козловых кранов грузоподъёмностью 500 т; также имеются аварийно-ремонтные затворы. Водосбросы состоят из трубчатой закрытой части, проходящей в теле плотины и частично на её низовой грани, и открытой части длиной около 150 м на низовой грани плотины. Водосбросные лотки имеют ширину 7,18 м (6,73 м на нижнем участке) и отделены друг от друга стенами высотой 7 м. На концевых участках стен водосбросных лотков расположена строительная эстакада с отметкой верха 343,5 м, использовавшаяся для размещения техники и подвоза бетона при строительстве водобойного колодца. После окончания строительства эстакаду было решено сохранить для использования в возможных ремонтных работах.
Водобойный колодец предназначен для гашения энергии сбрасываемого водного потока и имеет трапециевидную форму (расстояние между боковыми стенами в начале составляет 130,66 м, а в конце, у водобойной стенки — 112,6 м). Длина колодца от торцов раздельных стен открытых лотков плотины до верховой грани водобойной стенки: по оси — 144,81 м, по линиям ограждающих стен — 140,28 м. Бетонное крепление дна водобойного колодца после ремонтных работ имеет преобладающую толщину от 4 до 6 м, на отдельных участках до 8—10 м. В конце колодца расположена водобойная стенка высотой 19 м. Для осушения водобойного колодца в раздельном устое размещена насосная станция с тремя насосами производительностью 1200 м³/ч, позволяющими полностью осушить колодец за 55 часов. Ниже водобойной стенки выполнено бетонное крепление дна реки в виде рисбермы с отметкой верха 307,0 м. Рисберма завершается бетонным зубом, заглублённым в скальное основание на 7 м. Длина рисбермы 60 м, ширина в створе зуба — 98,6 м. Правобережная стенка водобойного колодца продолжается за рисберму на 60 м. К торцевой секции стенки примыкает береговой откос, укреплённый наброской крупного камня, которая по длине 200 м дополнительно покрыта армированной бетонной облицовкой.
Береговой водосброс
Ежегодное прохождение паводковых вод больших объёмов через плотину Саяно-Шушенской ГЭС выявило проблему повышения надёжности водобойного колодца и всего сооружения гидроэлектростанции в целом. Для повышения безопасности эксплуатации ГЭС в 2003 году было принято решение по строительству новых сооружений для плотины ГЭС - дополнительного берегового водосброса. После событий 17 августа, в результате вывода из строя всех агрегатов станции и перекрытия водоводов водопропускная способность плотины Саяно-Шушенской ГЭС сокращена на 3 600 м³/с, что, в свою очередь, ставит под вопрос безопасность прохождения сильных паводков. Для решения проблемы ускорены работы по строительству берегового водосброса ГЭС.
Береговой водосброс расположен на правом берегу и предназначен для пропуска паводков редкой повторяемости. Конструктивно водосброс состоит из водоприёмного сооружения, двух безнапорных тоннелей, пятиступенчатого перепада и отводящего канала. Водоприёмное сооружение предназначено для забора воды в водосброс и включает в себя водосливы практического профиля с отметкой порога 524,0 м и забральную стенку. Пролёты шириной по 18 м и высотой 8,7 м каждый перекрыты основными сегментными затворами, маневрирование которыми осуществляется гидроприводами, управляемыми дистанционно с пульта ГЭС. Перед сегментным затвором имеются пазы для установки плоского скользящего секционного аварийно-ремонтного затвора с помощью козлового крана грузоподъёмностью 2×125 т. Безнапорные тоннели длиной по 1130 м имеют корытообразное сечение 10×12 м, толщина бетонной обделки на разных участках 0,6—1,5 м, скорость воды в тоннелях до 22 м/с. Пятиступенчатый перепад представляет собой пять колодцев гашения шириной 100 м и длиной от 55 до 167 м, разделённых водосливными плотинами. Функция перепада заключается в гашении энергии потока — максимальные скорости потока на входе в верхний колодец достигают 30 м/с, на сопряжении с руслом реки уменьшаются до 4—5 м/с. Отводящий канал шириной по дну 100 м и длиной по оси около 700 м обеспечивает сопряжение сбрасываемого потока с руслом реки. Максимальная пропускная способность берегового водосброса составляет 4000 м³/с.