Канал (гидротехника)

Суэцкий канал с высоты спутника

Канал (водопровод) ( лат. canalis - Труба, желоб) - гидротехническое сооружение в виде открытого искусственного русла с безнапорным движением воды ^[1]. Канал может проходить в открытой выемке или в насыпях (в дамбах), иногда в полувыемке-полунасыпи. Устраивается обычно в почве и создается для дренажа, ирригации, водоснабжения, навигации и других целей.

1. Исторические данные

Канал фараонов

Великий канал Китая в Сучжоу

Старыми из известных каналов были оросительные каналы, построенные в Месопотамии около 4000 лет до н.э., на территориях, где находятся современный Ирак и Сирия. Индской цивилизацией на территориях современных Пакистана и северной части Индии, (ок. 2600 до н.э.) были воздвигнуты сложные ирригационные системы и систем хранения водных ресурсов, которые включали водохранилища, построенные на священной горе Гирнар в 3000 годах до нашей эры ^[2]. Тогда, по крайней мере в правление фараона Пепи I (правил в примерно в 2332-2283 годах до н.э.) ^[3], начали возводить ирригационные системы и в Древнем Египте, так что до рубежа ΙΙΙ и ΙΙ тысячелетий в обеих странах была создана широкая сеть оросительных каналов, забота о которых легла на плечи верховной власти. Не исключено, что в Древнем Египте появился первый в мире судоходный канал (Канал фараонов), соединивший Красное море с одним из рукавов дельты Нила, впадающей в Средиземное море, благодаря этому пути корабли могли путешествовать из одного моря в другое. Строительство данной водной артерии было начато около 600 года до н. н.э. и продолжалось до 518 года до н. е., пока страну не захватили персы.

В древнем Китае большие каналы для речного транспорта были созданы еще в период Воюющих царств (481-221 до н.э.), и самым длинным в этот период был Hong Gou (Канал Диких гусей), который, согласно древним историком Сыма Цянь связан с древними государствами Сонг, Чжан, Чэнь, Цай, Цао и Вэй ^[4]. Впоследствии длиннее каналом стал Большой канал Китая и до сих пор является самым длинным каналом в мире. Он 1794 километров в длину и был построен для обеспечения перемещения Императора Яна между Пекином и Ханчжоу. Проект был начат в 605 г. и было завершено в 609, хотя большая часть проделанной работы по присоединению старых каналов в основной части канала известны по крайней мере с 486 г. до н. е. Даже в узком месте в зоне городов канал изредка бывает узким 30 метров.

Греческие инженеры были первыми, кто использовал шлюзы, с помощью которых они регулировали расход воды в Древнем Суэцком канале еще ​​в 3 веке до н.э. ^[5].

Первым искусственным каналом в Европе считается Фосса Каролина (Карлсграбен), строящегося в конце 8-го века под личным контролем Карла I Великого. Затеянное в 793 г. строительство канала между реками Швабский Рецат (приток Имущества, что бросается в Рейн) и Альтмюлем (левый приток Дуная), которым соединились бы Рейн и Дунай, Северное и Черное моря, осталось незавершенным. В средние века, водный транспорт был дешевле и быстрее, чем сухопутный. Из-за низкого качества дорог крупные грузопотоки переносились на водный транспорт. Удачным проектом был такой канал, как Навильи Гранде ^[6] в Ломбардии построен между 1127 и 1257 годами. Он сочетал реку Тичино вблизи Торнавенто (23 км южнее Сесто-Календы) к док-станции Дарсена (Darsena), в Милане. Перепад высот составляет 34 м на 49,9 км длины канала. Ширина канала колеблется от 22 м до 50 м, снизившись до 15 м в Милане. Расход воды в канале составляет 63 м / с.

Позже были построены каналы в Голландии и Фландрии для осушения польдеров и обеспечения водного транспортировки грузов.

2. Классификация каналов по назначению

Панамский канал - судоходный канал, соединяющий Панамского залива Тихого океана с Карибским морем и Атлантическим океаном

Вид с воздуха на начало Кильского канала в Брунсбюттели

По назначению различают каналы: энергетические (деривационные), судоходные, оросительные (ирригационные), обводнительные, водопроводные, осушительные, лесосплавные, рыбоводные, комплексного назначения.

2.1. Энергетические (деривационные) каналы

Энергетические (деривационные) каналы подводят воду из реки, водохранилища, озера до гидроэлектростанции или отводят от нее отработанную воду. Энергетические каналы характеризуются сравнительно небольшой длиной (обычно не превышает 5-10 км), большой пропускной способностью, применением облицовок ложа.

Наибольшие размеры (длина 24,5 км, пропускная способность 1500 м ³ / c) имеет подводящий канал к ГЭС Боарнуа на реке Святого Лаврентия в Канаде, наибольшее пропускную способность (1860 м ³ / c) - канал при ГЭС в Монтелимар ( Франция).

2.2. Судоходные каналы

Судоходные каналы (искусственные водные пути) подразделяются на открытые и шлюзованные. Первые из них совмещают водные пути с одинаковым уровнем воды, вторые - водоемы с разными уровнями. Из открытых каналов можно назвать крупные Суэцкий и Коринфский, однако подавляющее большинство подобных сооружений - это сооружения второго типа: их шлюзовые системы позволяют судам подниматься с низких участков канала на высшие, и наоборот. Знаменитые шлюзованные каналы - Панамский и Кильский.

Судоходные каналы с основными функциями бывают:

• соединительные каналы между судоходными реками и морями (Суэцкий, построенный в 1869, Панамский ( 1914) каналы и др..)
• обходные (обводные) каналы, проходящие в обход труднопроходимых участков больших открытых водоемов, например, озер и морей (каналы Онежский, Приладозький, Береговой Мексиканский и др.)., или в обход участков рек с порогами;
• выпрямительные каналы - для уменьшения извилистости реки и сокращения длины водного пути;
• подходные каналы - судоходные подходы с моря, озера или реки к населенным пунктам, внутренних портов, промышленных предприятий, сельскохозяйственных районов (Морской канал Санкт-Петербурге, Манчестерский канал и др.)..

Обходные, выпрямительные и подходные каналы строят обычно открытыми (нешлюзованимы). Почти все соединительные каналы - шлюзованные, через значительное, разность уровней в реках (морях), сочетающиеся, а также из-за необходимости уменьшения объемов земляных работ при проведении каналов через водоразделы. Вода в шлюзованные каналы подается самотеком (самотечные каналы) или напомповуеться насосными станциями (машинные каналы).

Судоходные каналы характеризуются значительной протяженностью (например, длина берегового канала в США от Нью-Йорк до полуострова Флорида около 1,8 тыс. км, Беломорско-Балтийского канала - 227 км, Днепровско-Бугского канала - 196 км, Суэцкого канала - 171 км, Панамского канала - 81,6 км) и большими размерами поперечного сечения (ширина по зеркалу Суэцкого канала 120-150 м, глубина 12-13 м).

Каналы существенно улучшили связь между океанами, и с момента их открытия отпала необходимость плыть вокруг материков, чтобы попасть из Атлантики до Тихого океана или с Средиземноморья в Индийского океана.

Участок Северо-Крымского канала, канала ирригационного назначения

2.3. Ирригационные (оросительные) каналы

Ирригационные каналы переносят воду для орошения с год, озер или скважин, и устроены таким образом, чтобы заданный уровень воды поддерживался на всей длине канала. Ирригационные каналы обычно образуются системой каналов:

• магистральных;
• распределительных;
• собственно оросительных (оросителей)
• водосбросных.

В оросительные каналы вода поступает самотеком или подается насосами. В крупных ирригационных системах длина магистральных каналов нередко достигает нескольких сотен километров (Каракумский канал, 1-я очередь, в г. Ашхабад - более 800 км, Северо-Крымский канал - более 400 км, Большой Ферганский канал - около 300 км). Расход воды в магистральной части таких каналов составляет до 250-500 м ³ / с.

2.4. Обводнительные каналы

Обводнительные каналы подают воду для сельскохозяйственных нужд (главным образом животноводства) в безводные и засушливые районы; увеличивают потоки местных небольших рек, улучшают санитарное состояние (например, в городах). Поскольку при обводнении на засушливых землях обычно образуются мелкие ( оазисного характера) орошаемые участки, обводнительные каналы часто являются одновременно и оросительными (см., например, оросительно-обводнительных канал Иртыш - Караганда протяженностью около 460 км и пропускной способностью в головной части 75 м ³ / с).

Водопроводный канал Северский Донец - Донбасс

2.5. Водопроводные каналы

Водопроводные каналы служат для подачи воды от источника водоснабжения к месту ее использования - промышленного района, города, поселка и т.п. В крупных водопроводных каналов относится канал Северский Донец - Донбасс, построенный в 1958 году (в 1979 году реконструирован и расширен) для обеспечения промышленности Донецкой области. Это канал имеет длину около 130 км и расход воды в головной части 25-43 м ³ / с. Условия эксплуатации и санитарные требования иногда вызывают необходимость делать водопроводные каналы закрытыми (например, водопроводный канал длиной около 30 км подает воду Учинського водохранилища в Москву).

2.6. Осушительные каналы

Осушительные каналы предназначены для сбора воды на заболоченной территории и отвода ее в водоприемник (реку, озеро, море). Они состоят из открытых магистральных каналов разных порядков, прокладываемых низкими местах осушаемой площади, а при осушении дренажом - открытых или закрытых коллекторов, впадающих в магистральный канал и реже - в водоприемник. Стенки и дно каналов укрепляют плитами из пористого бетона, дерном, хворостом, что улучшает их работу и увеличивает долговечность.

2.7. Лесосплавные каналы

Лесосплавные каналы служат для сплава леса молевой или Плетневым способами от мест заготовки до лесосплавных реки или лесопильного завода с целью транспортировки древесины в обход гидротехнических сооружений.

2.8. Рыбоводные каналы

Рыбоводные каналы строят для:

• подачи воды на нерестилища;
• для пропуска рыб в обход гидротехнических сооружений:
• сообщение с рекой отдельных изолированных водоемов, в которых разводится рыба, и т. д.

3. Конструктивные особенности каналов

3.1. Форма и размеры сечения канала

В гидравлическом отношении лучшей является полукруглая форма канала, но из-за трудности выполнения и сохранения в реальных условиях криволинейных очертаний полукруглую и параболическую форму используют реже.

Прямоугольное сечение используется при проведении каналов в скальных выемках, а в мягких грунтах - в особых случаях (на территории населенных пунктов, на косогорах и т. д.) путем возведения подпорных стенок. В поперечном сечении каналы имеют преимущественно прямоугольную, треугольную и трапецеидальных формы. Полукруглая форма обычно применяется при возведении крупных ирригационных и судоходных каналов. При необходимости трассировки канала на косогорах в каждом конкретном случае принимаются соответствующие конструктивные решения, обеспечивающие нормальную работу сооружения.

Размеры сечения канала определяются гидравлическим расчетом по заданному расходу воды и допустимым для данного грунта скоростях течения; судоходные и лесосплавные каналы, кроме того, по габаритам судов и плотов, которые должны пропускаться.

3.2. Скорости потока в канале

При большой глубине выемок, а также в сложных геологических условиях устойчивость откосов проверяется расчетом. Для каналов в насыпях уклон откосов устанавливается аналогично, как и для земляных плотин. Максимальные скорости течения воды в канале устанавливают с таким расчетом, чтобы обеспечить устойчивость к размыванию дна и откосов канала, минимальные - из условия недопущения заиливания ложа канала свисающими в потоке и движущимися по дну наносами, а также не допущение его зарастания растительностью.

Предельно малые скорости течения, при которых не должно быть зарастания ложа канала растительностью - 0,5 ... 0,6 м / с. В судоходных каналах скорости течения воды по условиям экономичности тяги судов обычно не превышают 0,8 м / с; предельной скоростью для судоходства считается 1,8 ... 2,0 м / с.

Ледяной покров снижает пропускную способность канала вследствие возникновения дополнительного трения. Поверхностный лед не образуется при скорости потока более 2 ... 3 м / с, а при скоростях, превышающих 1,2 ... 1,5 м / с, лед, если он появился раньше, размывается потоком. Чтобы избежать в канале шуги (донного льда) принимают меры для минимизации толщины поверхностного льда. При неизбежной появление значительного количества шуги предусматриваются сооружения для сброса ее из канала, а сам канал трассируется с минимальным количеством поворотов.

4. Города на воде

Пересечение двух каналов (Grachten) в Амстердаме, Нидерланды.

Канал Грибоедова в Санкт-Петербурге, Россия.

Городские судоходные каналы настолько глубоко отождествляются с Венецией, что многие города на каналах были названы в ее честь. Например, Амстердам еще называют "Северной Венецией". Венеция построена на болотистых островах, с деревянными сваями для поддержания зданий, так что скорее сушу создано людьми, а не водные пути. Острови мають довгу історію заселення, від 12-го століття Венеція була потужним містом-державою.

Амстердам був побудований таким же чином, із споруд на дерев'яних палях. Став містом близько 1300 року.

Інші міста з великими мережами каналів: Алкмар, Амерсфорт, Брілле, Делфт, Гертогенбос, Дордрехт, Франекер, Гауда, Гарлем, Льовет, Лейден, Снек та Утрехт в Нідерландах, Брюгге та Гент у Фландрії (Бельгія), Бірмінгем (Англія) - місто яке має 35 миль каналів, порівняно з Венецією, яка має 26 миль, Санкт-Петербург (Росія), Гамбург та Берлін в Німеччині, Форт-Лодердейл та Кейп-Корал у США.

Місто мореплавців та торговців (Ліверпуль) (Liverpool Maritime Mercantile City) - об'єкт світової спадщини ЮНЕСКО, що розташований поблизу центру міста Ліверпуль (Англія), де система водних шляхів і доків розвивається і в наш час в основному для житлових потреб та відпочинку.

5. Особливості проектування каналів

При гідравлічному розрахунку попередньо призначають форму поперечного перерізу каналу, ухил дна і його пропускну спроможність, далі уточнюють гідравлічно найвигіднішу площу поперечного перерізу каналу і перевіряють прийняту пропускну здатність при заданому ухилі дна, при необхідності з'ясовують положення кривої вільної поверхні води в каналі.

5.1. Вибір конструктивних елементів

Для захисту ложа каналу від руйнування течією і хвилями, скорочення втрат води на фільтрацію в ґрунт і зменшення шорсткості живого перетину (для збільшення пропускної здатності) каналу застосовуються облицювання. Облицювання, що служать тільки для захисту укосів від розмивання, виконуються у вигляді кам'яного мощення, кам'яного укладання чи насипу, а також бетонних і залізобетонних плит. Такі облицювання застосовуються зазвичай на судноплавних каналах. Бетонне облицювання є найуніверсальнішим, оскільки задовольняє майже всім вимогам, що ставляться до облицювання (забезпечує водонепроникність, захищає від розмивання, збільшує пропускну спроможність). Залізобетонні облицювання мають ті ж якості, але є міцнішими і застосовуються зазвичай при суттєвій деформівності ґрунтів ложа каналу.

При проектуванні каналів у земляному руслі розраховують стійкість укосів на розмив. У більшості випадків потрібно провести розрахунок транспортування завислих і донних наносів по каналах. Крім того, уточнюють гідравлічні параметри каналу з урахуванням крижаного покриву у зимовий період, а також визначають втрати води з каналу на фільтрацію.

При необхідності на каналах передбачають протифільтраційні захисні заходи від розмивної дії хвильового потоку:

• кольматацію стінок і дна каналу глинястими розчинами, добре розкладеним торфом або різними емульсіями;
• екрани з глини або полімерної плівки;
• захисні покриття.

Якщо канал проходить цілком у піщаному насипі (з дном вище поверхні землі) або виїмка для його ложа прорізає сильно проникні ґрунти, де неминучі великі втрати води в ґрунт, то протифільтраційне облицювання (екран) влаштовують по всьому периметру живого перерізу. Толщина глиняних і суглинних екранів зазвичай від 0,5 до 1,0 м, торф'яних - не менше 0,5 м.

5.2. Розрахункові формули

При розрахунку каналу слід враховувати його довжину, при цьому розрізняють:

• Канал довгий (рус. длинный канал ; англ. long channel ; нем. Langkanal ) - канал, що має достатньо велику довжину, у зв'язку з чим при гідравлічному розрахунку такого каналу можна нехтувати (на відміну від випадку каналу короткого) місцевими втратами і враховувати тільки втрати напору по довжині.
• Канал короткий (рус. короткий канал ; англ. short channel ; нем. Kurzkanal m) - канал, який має таку довжину, при якій (на відміну від водозливу з широким порогом і на відміну від каналу довгого) необхідно враховувати як втрати напору по довжині, так і місцеві втрати напору (напр., на вході в канал).

Для определения средней скорости потока при установившемся равномерном турбулентном движении в области квадратичного сопротивления для случая безнапорного потока используется формула Шези :

,

где V - средняя скорость потока, м / с;

C - коэффициент сопротивления трения по длине (коэффициент Шези), что является интегральной характеристикой сил сопротивления;

R - гидравлический радиус, м;

I - гидравлический уклон, г.

Одним из частных случаев формулы Шези при значении коэффициента Шези равном есть Уравнение (формула) Маннинг - эмпирическая формула для определения скорости безнапорного потока в открытом русле в зависимости от формы и размеров поперечного сечения и шероховатости стенок русла.

Формула имеет вид:

,

где V - средняя скорость, (м / с);

n - безразмерный коэффициент шероховатости (коэффициент Гоклер-Маннинг) ^[7];

R _h - гидравлический радиус, (м);

I - гидравлический уклон, (м / м).

Это уравнение можно подставить в формулу для расчета объемного расхода, , Что позволяет получить значение расхода без информации о фактическом распределении скоростей по сечению русла.

6. Каналы в Украине

См.. также

• Беломорско-Балтийский канал
• Панамский канал
• Суэцкий канал
• Кильский канал
• Днепровско-Бугский канал
• Северо-Крымский канал

Примечания

Источники

• Дмитриев А. Ф., Хлапук М. М., Шуминская В. Д. и др.. Гидротехнические сооружения: Учебник для вузов. - М.: РДТУ, 1999. - 328 с.
• СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения речные. Основные положения проектирования. - М.: Стройиздат, 1985.
• СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, Ледовые, от судов) - М.: Стройиздат, 1983.
• Кириенко И. И., химерики Ю. А. Гидротехнические сооружения: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1987. - 154с.
• Колчунов И. Теоретическая и прикладная гидромеханика: Учеб. Пособие.-К.: НАУ, 2004.-336 с. ISBN 966-598-174-9.