Канал (в гидротехнике)
Кана́л (от лат. canalis – труба, жёлоб) в гидротехнике, водопроводящее сооружение, представляющее собой открытое искусственное русло, чаще всего правильной поперечной формы. По назначению различают каналы:
деривационные (энергетические);
ирригационные;
обводнительные;
осушительные;
лесосплавные;
рыбоводные;
судоходные;
комплексного назначения (например, для судоходства и водоснабжения).
Водопроводные каналы (для подачи воды) по способу подачи делятся на самотёчные (вода движется по руслу под действием силы тяжести) и с механическим подъёмом воды – машинные (насосные), устраиваемые в тех случаях, когда уровень воды в месте её забора из водоисточника ниже, чем уровни воды в потребительской сети.
Деривационные каналы разделяются на подводящие (к гидроэлектрической станции) и отводящие; сооружаются на деривационных ГЭС. Расход воды (пропускная способность) деривационных каналов бывает различным, превышая в отдельных случаях 1000 м3/с (например, пропускная способность канала при ГЭС «Монтелимар» во Франции 1860 м3/с).
Ирригационные (оросительные) каналы, предназначенные для подачи воды к орошаемым земельным массивам, обычно образуют систему каналов – магистральных, распределительных, собственно оросительных (оросителей) и водосбросных. Вода в канал поступает самотёком или подаётся насосами. В крупных ирригационных системах длина магистральных каналов нередко достигает нескольких сотен километров.
Обводнительные каналы подают воду для нужд сельского хозяйства (главным образом животноводства) в безводные и засушливые районы (обводнительные каналы в низовьях Волги и др.). Поскольку при обводнении на засушливых землях обычно образуются мелкие (оазисного характера) орошаемые участки, обводнительные каналы часто являются одновременно и ирригационными (например, Невинномысский канал).
Осушительные каналы собирают воду, поступающую из осушительной или дренажной сети (на заболоченной или излишне увлажнённой территории), и отводят её в водоприёмник (реку, озеро, море) самотёком или с помощью насосных станций. Осушительные каналы трассируются, как правило, по наиболее низким отметкам осушаемой территории (по тальвегам).
Лесосплавные каналы устраиваются для сплава леса от мест его заготовки до лесосплавной реки или лесопильного завода, а также в районах гидроузлов для направления лесосплава в обход гидротехнических сооружений.
Рыбоводные каналы служат для подачи воды на искусственные нерестилища, для соединения с рекой отдельных изолированных водоёмов (озёр), в которых водится рыба, для опреснения лиманов (например, в низовьях реки Кубань).
Виды судоходных каналов:
соединительные между судоходными реками, озёрами и морями (например, Волго-Донской канал);
обходные (обводные) каналы, устраиваемые в целях улучшения условий судоходства, в обход порожистых участков рек, бурных участков больших озёр и морей (например, канал Пангалан на Мадагаскаре протяжённостью 654 км);
спрямляющие каналы – для уменьшения извилистости судового хода и сокращения длины водного пути (например, канал Хорошёвское спрямление на реке Москва);
подходные каналы – для обеспечения подхода из моря, озера или реки к крупным городам, внутренним портам, промышленным предприятиям (например, Астраханский морской канал).
При расположении соединяемых водных путей на разных уровнях по трассе канала сооружают шлюзы. Если трасса канала преодолевает высокий водораздел, то, кроме шлюзов, устраивают насосные станции для питания канала водой на высоких участках.
Формы поперечного сечения канала.Основными конструктивными характеристиками канала являются форма и площадь заполненного водой (живого) поперечного сечения, скорость течения воды в канале, продольный уклон дна, поперечный профиль.
Форма живого поперечного сечения канала бывает:
трапецеидальной;
прямоугольной;
полигональной;
параболической;
полукруглой и др.
Её выбор зависит от назначения и глубины заложения канала, свойств грунтов, условий производства работ. Наиболее распространённая форма сечения – трапецеидальная; прямоугольная форма целесообразна при проведении канала в скальных грунтах; полигональная – при большой глубине заложения канала; параболическая – при неустойчивых грунтах и больших расходах воды. Площадь сечения канала определяется гидравлическим расчётом по заданному расходу воды и допустимым для условий данного канала скоростям течения, а для судоходных и лесосплавных каналов, кроме того, – габаритами пропускаемых судов и плотов.
Скорости течения воды, допустимые в канале, не имеющем облицовки дна и откосов, имеют предельные значения: максимальное, исключающее размыв русла (т. н. неразмывающая скорость), и минимальное, не допускающее заиления русла и его зарастания водной растительностью (т. н. незаиляющая скорость). Неразмывающая скорость воды в канале зависит от слагающих его русло грунтов. Предельно допустимая незаиляющая скорость движения воды в канале составляет 0,3–0,5 м/с. Назначение канала иногда предъявляет к его гидравлическому режиму специальные требования; например, в судоходных каналах по условиям экономичности тяги судов скорости течения принимаются не более 0,8 м/с.
В случаях превышения максимально допустимой скорости воды для предотвращения размыва русла по трассе канала устраивают перепады, крепление дна и др. При скоростях движения воды, близких к минимальным, проводят мероприятия по предупреждению зарастания русла: очистку канала специальными механическими устройствами; придание откосам канала гладкой или ступенчатой формы, предотвращающей возможность прикрепления к поверхности организмов обрастания; использование для крепления откосов материалов, на которых организмы обрастания жить не могут (например, полиэтиленовых плёнок); заселение канала травоядными рыбами (например, толстолобиком или белым амуром).
Продольный уклон канала должен обеспечивать скорость течения воды не менее незаиляющей скорости при минимальном расчётном расходе и не более неразмывающей – при максимальном расходе. Выбор продольного уклона определяется гидравлическим расчётом в предположении равномерного движения потока в канале; дополнительно учитываются неравномерные режимы, возникающие вследствие изменений по длине канала шероховатости ложа, площади и формы поперечного сечения, а также в случае возникновения волн наполнения и излива в энергетических каналах при изменении нагрузки ГЭС.
Поперечные профили канала на ровной местности могут размещаться по отношению к поверхности земли полностью в выемке, в полувыемке-полунасыпи, полностью в насыпи (в дамбах).
Разбивка оси канала на местности (трассирование) проводится таким образом, чтобы, исходя из принятых и допустимых уклонов и скоростей течения, провести канал с заданной пропускной способностью при минимальной его стоимости. При прокладке трассы канала на склонах и косогорах конструктивные решения зависят от крутизны склона, устойчивости грунтов, наличия наносного слоя и др.
Для сохранения необходимой пропускной способности канала в зимнее время уровни воды поддерживаются на 0,4–0,6 м выше уровней в летнее время. При отсутствии ледового покрова в канале может образовываться шуга, которая забивает решётки водозаборных отверстий гидроэлектрических или насосных станций. Для предотвращения её появления в канале временно снижают расчётные скорости течения, что способствует образованию небольшого слоя поверхностного льда. Иногда применяют лёгкие деревянные запани поперёк канала, снижающие поверхностные скорости течения и ускоряющие образование ледового покрова. При неизбежном появлении шуги предусматривают сооружения для её сброса, канал трассируют с минимальным числом поворотов в плане, скорости течения воды поддерживают не менее 1–1,5 м/с.
В открытых каналах различают следующие виды потерь воды: на испарение с поверхности и на фильтрацию через дно и стенки русла. Потери на испарение, зависящие от климатических условий и площади открытой поверхности воды, относительно малы (испаряющийся слой воды составляет 0,3–0,8 м в год). Потери воды на фильтрацию в грунт могут достигать 50–60 % полезного расхода воды, вследствие чего удорожается стоимость канала (самотёчные каналы необходимо строить с бо́льшим сечением, для насосных каналов увеличиваются эксплуатационные расходы). Уменьшение фильтрации воды в грунт канала достигается повышением водонепроницаемости грунта русла канала (наиболее эффективны кольматаж, уплотнение грунтов, а также их солонцевание, нефтевание, закрепление и др.) или покрытием его дна и откосов облицовкой.
Облицовки (одежды) канала по назначению подразделяют на:
защитные (предохраняют ложе канала от размыва, повреждений льдом и плавающими предметами);
противофильтрационные (сокращают фильтрацию воды из канала);
уменьшающие шероховатость живого сечения (увеличивают пропускную способность канала).
По виду материала различают облицовки грунтовые, битумные, каменные, гравийные, асфальтовые, бетонные и железобетонные. Выбор типа одежды канала определяется технико-экономическими соображениями и эксплуатационными условиями.
Для борьбы с воздействием грунтовых вод под облицовками устраивают дренаж, который состоит из пористого слоя подготовки, поперечных дрен и выпусков из гончарных или иных труб.
При проектировании и строительстве каналов отдельные их участки по технико-экономическим соображениям могут заменяться другими водоводами – лотками, трубами, туннелями, акведуками, дюкерами. В местах перелома продольного профиля соседние участки канала необходимо сопрягать специальными сооружениями – переходами, перепадами, быстротоками; в местах разветвлений канала создают перегораживающие сооружения и вододелители. Для регулирования режима канала вдоль его трассы устраивают водосбросы, водоспуски, шугосбросы, а также ремонтные заграждения.
Каналы, наряду с плотинами, являются древнейшими гидротехническими сооружениями. Первые оросительные и обводнительные каналы появились в Северной Месопотамии (самаррская культура) в 6–5-м тыс. до н. э. Строительство судоходных каналов также началось ещё в древности (например, канал от Нила к Красному морю, существовавший в 6 в. до н. э.; Великий канал в Китае). Большое значение для строительства судоходных каналов имело изобретение в 15 в. в Голландии камерного шлюза. В 16–17 вв. развитие торговли и мануфактурного производства потребовало улучшения путей сообщения. В 17–18 вв. и 1-й половине 19 в. водные пути были основными, самыми экономичными транспортными артериями. К числу наиболее значительных сооружений этого периода относятся судоходные каналы во Франции (Сена – Луара, Лангедокский, Центральный и др.), в Германии (Финов, Одер – Шпре, Эльба – Хафель и др.), в Англии (Бриджуотер, Каледонский и др.). В связи с широким развитием мировой торговли, а также в стратегических целях во 2-й половине 19 в. и в 20 в. сооружаются морские каналы, создание которых явилось значительным достижением мировой гидротехники: Суэцкий канал; Кильский канал, или Норд-Остзе, в Германии, проложенный поперёк полуострова Ютландия и связавший Балтийское и Северное моря (длина 98,7 км, глубина 11,3 м, ширина 104 м, имеет две пары головных шлюзов; открыт в 1895); Панамский канал.
На территории России строительство каналов велось в основном в целях улучшения речного судоходства (например, судоходный канал на Сухоне, 13 в.), для гидроэнергетических целей (подвод воды к водяным мельницам), иногда для осушения земель. В начале 17 в. были предприняты первые попытки прорыть канал между Волгой и Доном. Интенсивное строительство каналов развернулось при Петре I. В 18 – 1-й половине 19 вв. были сооружены Вышневолоцкая, Тихвинская, Северо-Двинская, Мариинская водные системы. За годы существования СССР на его территории построены каналы: судоходные – Беломорско-Балтийский (227 км) и Волго-Донской (101 км); судоходно-водопроводный имени Москвы (128 км); водопроводные – Северский Донец – Донбасс (129 км) и Иртыш – Караганда (458 км); ирригационные – Большой Ферганский (350 км), Донской магистральный (112 км); комплексные – Каракумский (более 1000 км), Терско-Кумский (150 км), Северо-Крымский (402 км) и др. Эти каналы пропускают расходы воды от 20–75 (водопроводные) до 100–500 м3/с (ирригационные и комплексные); деривационный канал Нарвской ГЭС подаёт расход до 700 м3/с.