Общие сведения, классификация, формы и размеры поперечных сечений
Каналом называется сооружение, предназначенное для транспортирования воды в народнохозяйственных целях. Каналы относятся к группе водопроводящих гидротехнических сооружений.
Конструктивно канал представляет собой искусственное русло, обеспечивающее подачу воды для различных целей (орошение и обводнение земель, водоснабжение, гидроэнергетика, лесосплав и т. д.) или отвод ее при осушении и сброс паводковых и других лишних вод из водохранилищ.
Каналы строят в выемке (рис. 8.1,6—г), насыпи (рис. 8.1, д), полувыемке-полунасыпи (рис. 8.1, а), с искусственным креплением или без него. Как правило, их устраивают открытыми сверху, редко бывают закрытыми (с целью утепления, защиты от попадания продуктов эрозии и деформации склонов и др.). В местах со сложным рельефом и неблагоприятными геологическими условиями применяют каналы-лотки, укладываемые на сплошное основание или на ряд опор-стоек.
По хозяйственному назначению каналы подразделяются на оросительные, или ирригационные (магистральные и внутрисистемные), осушительные (коллекторы, непосредственно осушители, водоприемники), водопроводные (для водоснабжения), обводнительные, судоходные, энергетические (для подвода воды, забираемой из источника, к турбинам ГЭС), рыбоводные (для пропуска рыбы), лесосплавные, комплексного использования (например, для орошения, водоснабжения, обводнения и судоходства). На сосредоточенных перепадах каналов иногда целесообразно устраивать гидроэлектростанции.
В качестве примеров комплексного использования можно привести канал им. Москвы как судоходно-обводнoтельно-водоснабженческий; деривационный канал Фархадской ГЭС, который является одновременно и оросительным; Невинномысский, Западный Большой Чуйский каналы, предназначенные в основном для орошения и обводнения, но перепадные участки их использованы для устройства гидроэлектростанций и др.
Расходы каналов колеблются от долей до сотен кубических метров в секунду. Из каналов с весьма крупными головными расходами воды следует назвать Северо-Крымский с расходом 380 м3/с, Каракумский — 820 м3, Днепр — Донбасс—120 м3/с и др. Большинство оросительных каналов имеют расходы до 5... 10 мп/с (более 80% всех каналов). Протяженность каналов колеблется от нескольких десятков метров (например, подводящие к насосным станциям каналы) до сотен километров, например Каракумский канал 900 км, Большой Ферганский—350 км, Западный Большой Чуйский— 146 км, канал им. Москвы—128 км, Волго- Донской канал им. В. И. Ленина — 101 км и др.
По условиям использования каналы, как и другие гидротехнические сооружения, делятся на постоянные и временные, причем постоянные могут быть основными и второстепенными (гл. 1.2).
К основным постоянным относятся, например, магистральные оросительные каналы, а к второстепенным — внутрихозяйственные. К временным относятся временные оросители, а также каналы, устраиваемые на период строительства или ремонта объекта.
По капитальности постоянные каналы, как и все гидротехнические сооружения, подразделяются на четыре класса.
По геологическим условиям трассы каналов делятся на проходящие в нескальных и скальных грунтах. Геологические условия трассы в значительной степени предопределяют форму и размеры поперечного сечения канала, а также тип покрытия. Так, каналы, проходящие в нескальных грунтах (песок, супесь, суглинок, лёсс, глина и др.), требуют устройства сравнительно пологих откосов, нередко защиты откосов и дна от размыва, защиты от фильтрации (устройство искусственной одежды и др.). Каналы, устраиваемые в полускальных и скальных грунтах, могут иметь более крутые откосы, вплоть до вертикальных (при скале), допускают большие скорости течения.
По форме поперечного сечения различают каналы трапецеидальные (рис. 8.1, я), прямоугольные, полигональные (рис. 8.1,6), параболические (рис. 8.1, в), полукруглые, ложбинообразные (аналогичные полигональным, но с самой низкой точкой дна на оси канала — без горизонтального дна в поперечном сечении).
По характеру уклона каналы бывают с прямым, обратным и нулевым уклоном. Большинство каналов строят с прямым уклоном. С обратным уклоном устраивают каналы в местах, где требуется погасить скорости, и для других специальных целей (некоторые виды подводящих к насосным станциям каналов, переходные участки каналов с прямым уклоном и др.). С нулевым уклоном (с горизонтальным дном) в основном устраивают участки судоходных каналов (преимущественно на водораздельных бьефах), иногда участки каналов с машинной водо- подачей.
По способу подачи воды каналы делятся на самотечные и с механическим подъемом (машинные).
По технологическим условиям работы каналы бывают с непрерывным и прерывистым процессом работы. К каналам с непрерывным процессом работы в основном относятся магистральные, в ряде случаев меж.чозяйственные. Внутрихозяйственные каналы имеют прерывистый процесс работы, обусловленный особенностями технологии орошения. Технологические условия работы каналов влияют на выбор и проектирование систем управления процессом водораспределения на них.
По состоянию потока различают каналы со спокойным, бурным и сверх- бурным состоянием потока. Нередко в пределах одного канала можно встретить участки с различным состоянием потока. Состояние потока, а следовательно, разделение каналов по этому признаку необходимо учитывать при решении задач автоматизации водораспределения; оно влияет на выбор типов и конструкций сооружений водораспределения.
Каждый канал в процессе эксплуатации работает при различных видах движения: установившемся, неустановившемся, равномерном, неравномерном. Преобладает неравномерное, не- установившееся движение вследствие взаимного влияния сооружений водораспределения, различных случайных воздействий (осадки, выклинивание грунтовых вод, потери воды, включения в канал других водостоков и др.). При проектировании каналов основные расчеты ведут на равномерное и неравномерное движение. Неустано- вившееся движение учитывают при решении задач управления технологическими процессами на каналах (водо- распределение, защита от наносов, аварийная обстановка и др.), выбора креплений и др.
В зависимости от назначения, инженерно-геологических, топографических условий, способа производства работ, расхода воды, режима работы, типа одежды и других факторов выбирают и рассчитывают форму и размеры поперечного сечения канала.
При расчете канала очень важным показателем считается скорость в нем, от которой зависит его пропускная способность при данных размерах поперечного сечения. Минимальную скорость в канале назначают из условий его незаиления и незарастания— не менее 0,5...0,6 м/с [126], максимальную — из условий эксплуатации, но не более допустимой неразмывающей для необлицованных каналов [56]. В ряде случаев (например, в предгорной и горной зонах) скорости в каналах,особенно магистральных, по топографическим условиям получаются значительными (х до 10 м/с). Здесь обязательно устройство облицовок каналов, может потребоваться форма сечения, исключающая образование катящихся волн (см. 4.1.5), и т. д. Наоборот, в долинной зоне нередко трудно обеспечить требуемые минимальные скорости, исключающие заиление и зарастание. В этих случаях предусматривают искусственную очистку, борьбу с зарастанием. При проектировании следует иметь в виду, что увеличение скоростей в магистральных каналах ведет, как правило, к снижению командования над орошаемой ими площадью в энергетических— к увеличению потери энергии.
По трассе канала на его отдельных участках в зависимости от местных условий (рельеф, геология и др.) могут быть выбраны различные поперечные сечения.
В нескальных грунтах канал наиболее выгодно выполнять трапецеидального или полигонального сечения (рис. 8.1 ,а,б). По условиям производства работ сечение каналов иногда приближают к ложбинообразному или параболическому (рис. 8.1, в), то есть к профилю естественного русла. Такие каналы делают широкими, но неглубокими. Работа таких каналов ухудшается в зимнее время. Так, по данным А. М. Латышенкова, пропускная способность их в зимнее время из- за ледяного покрова уменьшается при том же наполнении на 7...12 %.
По условиям местности каналы или некоторые участки их иногда проходят полностью в выемке, нередко значительной глубины (рис. 8.1, г). В этих местах через каждые 5...8 м по высоте предусматривают непроезжие бермы шириной не менее 1 м; обычно по условиям производства работ ширину их назначают до 3 м. Вдоль берм устраивают кюветы для сбора ливневых вод.
Иногда каналы проектируют и полностью в насыпи (рис. 8.1,), например на рисовых оросительных системах, в местах пересечения трассы с понижениями. Если на рисовых оросительных системах устройство таких каналов вызвано технологической необходимостью, то в остальных случаях, особенно на магистральных каналах, такое решение нежелательно, так как сопряжено с устройством для пропуска паводковых вод с водосбора, примыкающего к дамбам канала. При этом требуются и высокое качество уплотнения грунта насыпей, и назначение их откосов с учетом фильтрации воды из канала.
Верх бермы или дамбы размещают на высоте 0,2...2 м над максимальным уровнем воды в канале, определенным для максимального расхода с учетом возможного волнообразования и в зависимости от эксплуатационных особенностей. Указанную высоту назначают с учетом осадки грунта, то есть принятая высота должна быть такой после осадки. Ширину дамбы назначают в зависимости от класса канала до 4 м.
Если по гребню дамбы предусмотрена дорога, например инспекторская, то ее располагают на одной из дамб и ширину ее принимают в соответствии с классом дороги, но не менее 7 м (рис. 8.1, е). Кавальеры грунта размещают из условия, чтобы их вес не влиял на устойчивость откосов канала. Место для резерва грунта назначают вдоль трассы канала на расстоянии, определяемом из условия устойчивости внешних откосов дамб с учетом принятого способа производства работ. Территорию резерва после строительства канала засаживают деревьями или кустарником. При расположении канала на косогоре для уменьшения объема работ предпочтение отдают трапецеидальному сечению с выполнением дамбы в полувы- емке-полунасыпи (рис. 8.1, ж), причем сопряжение дамбы с основанием рекомендуется осуществлять ступенями. На склонах значительной крутизны дамбу выполняют в виде бетонной стенки (рис. 8.1, з). При прокладке канала в скальных и полускальных породах поперечное сечение выполняют с крутыми откосами (рис. 8.1, и), иногда почти вертикальными в (скале). Заложения откосов т в этих случаях принимают в пределах 0,1...0,5 в зависимости от прочности, трещиноватости и степени выветренности породы. В каналах с глубиной наполнения до 3 м в зависимости от грунта заложение откосов принимают от т — 0... 0,25 (скала) до т=3 (мелкозернистый песок). При наполнении более 3 м заложение принимают на основании расчетов откосов на устойчивость (гл. 5.1).
На крупных судоходных каналах принимают т до 5...6. Как показала практика эксплуатации судоходных каналов, неукрепленные откосы под воздействием судовых волн принимают уклоны от 1 :8 до 1 :20, а на мелких песках — до 1 : 30. Весьма ответственно надо подходить к назначению заложения откосов (как подводных, так и надводных) в просадочных и набухающих грунтах, так как в процессе эксплуатации канала откосы их деформируются в результате оползания и оплывания. В пучинистых грунтах оплывание откосов происходит вследствие переувлажнения в период их промерзания.
При проектировании поперечного сечения каналов следует проводить расчет как для максимального, так и для минимального расходов воды в канале и на так называемые лимитные коэффициенты шероховатости п шах И При этом определяют максимально необходимые размеры сечения (при пропуске Qmax), скорости движения при пропуске различных расходов и при различной шероховатости для оценки возможного заиления и размыва.
При выборе поперечного сечения надо учитывать, что широкие и неглубокие каналы имеют ряд достоинств (большая устойчивость русла против размыва, лучшие условия командования, часто более выгодные условия постройки благодаря меньшей высоте дамб) и недостатки (увеличение размеров сооружений на каналах, уменьшение скорости течения, удорожание противофильтрационной защиты, возможность зарастания). Поэтому таким сечениям отдают предпочтение преимущественно в предгорной зоне.
При выборе поперечного сечения канала надо всегда учитывать его назначение, имеющиеся грунты (или крепления), условия производства работ, эксплуатации, проводя соответствующие технико-экономические расчеты. Экономически целесообразное сечение может отличаться от гидравлически наивыгоднейшего, рассматриваемого в курсах гидравлики.