КАНАЛЫ И ВОДОПРОВОДЯЩИЕ СООРУЖЕНИЯ НА НИХ*
* Глава написана инж. Мендрюковым В. Д.
Каналы в зависимости от назначения, способа подачи воды и особенностей конструкций разделены на судоходные, оросительные (ирригационные), осушительные, энергетические, водопроводные и обводнительные, лесосплавные, комбинированные (судоходно-обводнительные, судоходно-оросительные, судоходноосушительные, судоходно-энергетические, судоходно-лесосплавные, обводнительно-судоходно-энергетические и т. д.); рыбоходные; водосбросные (при гидротехнических сооружениях); подводящие и отводящие (при судоходных шлюзах, водозаборных и водосбросных сооружениях, насосных станциях и т. д.).
Наиболее распространены трапецеидальная и полигональная формы поперечного сечения каналов в мягких грунтах и прямоугольная — в скальных грунтах, где откосы могут быть вертикальными.
Каналам, сооружаемым в мягких грунтах на равнинной местности или на косогорах, а также в полувыемке—полунасыпи там, где габариты по местным условиям должны быть минимальными, придают прямоугольный или трапецеидально-прямоугольный профиль.
Часто каналам придают форму параболического и иногда ложбинообразного сечения, приближающегося к форме поперечного сечения естественного русла. В частности, ложбинообразная форма поперечного сечения канала дает наименьшее сопротивление движению судов.
Каналы полигонального или составного профиля сооружают в случаях резких колебаний уровней воды.
Небольшие каналы в весьма плотных грунтах редко сооружают эллипсообразного или полукруглого поперечного сечения.
На осушительной сети небольшие каналы иногда выполняют с трехугольным поперечным сечением. При малой пропускной способности и допустимых неразмывающих скоростях они не так быстро зарастают и имеют хорошие эксплуатационные качества.
Наибольшая пропускная способность гидравлически наивыгоднейших каналов, которые характеризуются при заданной площади живого сечения наибольшими гидравлическими радиусами R или наименьшими смоченными периметрами χ.
Это каналы полукруглого, эллипсообразного, параболического и полигонального сечения.
Живому сечению гидравлически наивыгоднейших каналов трапецеидального профиля соответствует следующая зависимость:
для равнобокого профиля 
где b — ширина канала по дну;
h — глубина воды в канале;
т, m1, т2 — коэффициенты заложения откосов.
В табл. 12 приведены значения β для гидравлически наивыгоднейшего равнобокого профиля.
Гидравлический радиус R равен 1/2 глубины воды в канале трапецеидального профиля гидравлически наивыгоднейшего сечения, т. е. R = 0,5h.
Трассу канала в зависимости от его назначения выбирают в результате проведения топографических, инженерно-геологических и гидрологических изысканий; она должна быть рентабельной. При выборе трассы необходимо обратить внимание на уклон дна канала, поскольку слишком малые уклоны могут значительно увеличить его поперечное сечение и повысить его стоимость.
Трасса канала на повороте должна иметь такой радиус закругления, м:
для оросительных и осушительных каналов
Рис. 66. Схема фильтрации воды из канала:
а — при наличии под каналом сильно водонепроницаемого слоя; б — при конечном положении уровня грунтовых вод.
где Н— разность отметок уровня воды в канале и уровня водоносного горизонта в том месте, где фильтрационный поток не оказывает никакого влияния на уровень грунтовых вод, м;
К и К1— эллиптические интегралы первого рода, т. е.
Теоретические формулы не позволяют точно определить фильтрационные потери, так как коэффициенты фильтрации на основании данных инженерно-геологических изысканий не могут быть точными по всей длине канала.
Но существуют эмпирические формулы фильтрационных потерь от расхода воды в канале на 1 км длины:
для сильно водопроницаемых грунтов 
Отсюда видно, что относительные фильтрационные потери в малых каналах больше, чем в больших каналах.
В облицованных каналах потери воды на фильтрацию определяют по формуле
(82) где α — коэффициент, рекомендуемый техническими условиями (для бетона толщиной 7,5 см α=0,13, для цементно-известкового раствора толщиной 7,5 см α=0,34, для цементного раствора α=0,37);
q — фильтрационные потери в каналах без облицовки.
Уменьшают потерю воды из каналов механическим уплотнением грунта и искусственным заилением глинистыми частицами. Каналы иногда облицовывают каменным мощением на цементном растворе (рис. 67, а).
Рис. 67. Облицовка каналов:
а — облицовка канала одиночным камнем на цементном растворе (1 — камень; 2 — слой щебня; 3 — слой щебня, утрамбованного в грунт); б — бетонное покрытие канала и типы швов (1— бетон; 2 — слой щебня, утрамбованного в грунт; 3 — битум; 4 — дренаж продольный); 5 — асфальтобетонное крепление (1 — асфальтобетон; 2 — подготовка щебня; 3 — слой щебня, утрамбованного в грунт).
Наиболее распространены бетонная, железобетонная и асфальтобетонная облицовки каналов, которые противодействуют их размыву, а также уменьшают потери воды.
Дно и откосы канала облицовывают бетоном или железобетоном сплошным креплением со швами через 10—15 м или плитами толщиной 10—20 см со швами через 3—5 м, которые заливают битумом (рис. 67, б).
Облицовку асфальтобетоном (толщиной 3—8 см) выполняют из смеси асфальтового битума (5—10% по весу) с песком или щебнем. Асфальтобетон кладут на щебеночную подготовку толщиной 15 см, которую укладывают на утрамбованный в грунт слой щебня толщиной 5—6 см (рис. 67, в).
Для предотвращения фильтрации из каналов применяют гидроизоляционную фольгу из супервинила и полиэтиленовую пленку, которую расстилают по каналу и засыпают слоем земли толщиной 30 см. Супервиниловая пленка хороший гидроизоляционный материал и выдерживает нагрузку около 100—300 кг/см2.
Она должна быть покрыта слоем земли, так как на дневной поверхности ее разрушают ультрафиолетовые лучи.
Заложение откосов каналов зависит от геотехнических свойств грунта — угла внутреннего трения, коэффициента сцепления и объемного веса. В капитальных сооружениях заложение откосов определяют расчетом из условия обеспечения его устойчивости.
На судоходных каналах, в зависимости от характера грунтов, нижнюю подводную часть откосов устраивают пологой с коэффициентом заложения т от 3,5 до 6. Это наиболее рациональная форма поперечного сечения, она устраняет оплывание подошвы откосов канала и создает наименьшее сопротивление движению судов.
Рекомендуемые коэффициенты заложения откосов канала в выемке или насыпи приведены в табл. 13.
Таблица 13
По своему назначению гидротехнические сооружения на каналах делятся на следующие основные группы:
регулирующие и перегораживающие — вододелители, шлюзы- регуляторы, головные сооружения деривационных каналов, переключатели, судоходные шлюзы, аварийные ворота на судоходных каналах, преграждающие поперечные сооружения на каналах; водоспускные и водосбросные — водоспуски, водосбросы, шугосбросы;
сооружения при переходе канала через водотоки, овраги, возвышенности, пути сообщения — акведуки, туннели, дюкеры, селепроводы, трубы, лотки, мосты, переправы;
сооружения для задержания наносов (взвесей) — отстойные резервуары или бассейны, водохранилища, искусственные озера;
сопрягающие сооружения — быстротоки, перепады; водоприемные сооружения и насосные станции.
Рис. 68. Шлюзы-регуляторы:
а — открытый головкой шлюз-регулятор (1 — понур (а — крепление понура плитами; б — глиняный понур); 2 — шпунты; 3 — водобойная часть; 4 — обратный фильтр; 5 — крепление для канала; 6 — сквозной флютбет; 7 — паз для низовых шандор; 8 — паз для затвора; 9 — паз для верховых шандор; б — диафрагмовый шлюз-регулятор; в — диафрагмовый головной шлюз-регулятор (1 — крепление понура плитами, 2 — глиняный понур; 3 — паз для верховых шандор; 4 — забральная стенка; 5 — сегментный затвор; 6 — паз для низовых шандор; 7 — сквозная часть флютбета; 8 — обратный фильтр; 9— водобойная часть; 10 — шпунт); г — открытый шлюз-регулятор; д — шлюз-регулятор в виде трубы.
Головные шлюзы-регуляторы сооружают у входа в магистральные каналы. Посредством их подают воду в канал, регулируют в нем уровень воды и защищают от попадания в канал наносов, содержащихся в потоке. Для задержания наносов в шлюзах устраивают пороги, высота которых зависит от крупности влекомых донных и взвешенных наносов. Шлюзы-регуляторы строят двух типов — открытые (рис. 68, а) и диафрагмовые с плоским (рис. 68, б) или сегментным затвором (рис. 68, в.
Чтобы обеспечить плавность сопряжения шлюза с каналом и минимально допустимую скорость входа воды в канал через шлюз, ширину головного шлюза-регулятора рассчитывают, как затопленный водослив с широким порогом.
Пропускную способность шлюза-регулятора определяют по формуле
где ε — коэффициент сжатия;
δ — коэффициент уменьшения пропускной способности при боковом водозаборе;
φ — коэффициент скорости;
b — ширина отверстий шлюза-регулятора;
h — расчетная глубина воды в шлюзе;
Z — перепад — разность уровней воды до шлюза и после него.
Высота порога шлюза-регулятора должна быть не менее 1 м. Чем меньше крупность и больше процентное содержание наносов в потоке, тем выше порог шлюза. Во всех шлюзах-регуляторах имеются пазы для шандор, устанавливаемых перед затвором и перекрывающих отверстия в шлюзах во время осмотра, ремонта поверхности водобоя и затвора, а также во время поступления воды в канал из верхних, более осветленных горизонтов.
Диафрагмовые шлюзы-регуляторы рассчитывают по формуле
Н — напор над центром тяжести входного отверстия или над уровнем воды в нижнем бьефе при затопленном отверстии.
На рис. 68, г показан открытый шлюз-регулятор, а на рис. 68, д — в виде трубы, который устанавливают на каналах. Такой шлюз служит одновременно мостом и отличается от головных шлюзов-регуляторов размерами.
Через переключатель (резервуар) по подводящим трубопроводам вода поступает из канала и направляется по отводящим трубопроводам в тот канал, куда надо подать воду.
Трубопроводы переключателей на входе и выходе имеют запорные устройства. На рис. 69 показан переключатель между двумя линиями каналов. Все переключатели являются одновременно регуляторами расходов и уровней воды в канале.
Рис. 69. Переключение между двумя линиями канала:
1 — подземный резервуар; 2 — каналы; 3 — трубы; 4 — запорные устройства.
Водоспуски, чаще всего выполняемые в виде труб, применяют для спуска воды; их устанавливают на концах каналов или в пониженных участках местности (при значительной длине каналов).
На рис. 70 схематично показан водоспуск, совмещенный с трубой, отводящей атмосферные воды.
Рис. 70. Водоспуск на канале, совмещенный с трубой, уложенной под каналом для пропуска водотока.
Водосбросы предохраняют каналы от переполнения. Их располагают перед перегораживающими и регулирующими устройствами, а также на каналах, где есть пониженные участки местности.
Водосбросы часто совмещают с водоспусками. В этом случае излишек воды переливается через верх водоспуска, установленного на отметке расчетного уровня воды в канале.
На рис. 71 показан сифонный водосброс, совмещенный с водоспуском. Здесь вода сбрасывается автоматически до заданного уровня.
Акведуки — своеобразные балочные, ригельные, рамные, арочные и др. мосты, по которым проходит канал, пересекающий водоток, овраг или дорогу, — выполняют из железобетона.
Рис. 72. Мост-водовод арочной конструкции в месте пересечения канала с рекой:
1 — цементная изоляция; 2 — дренажные трубы (d=0,12); 3 — галечник; 4 — битумный мат; 5 — изоляционная плита; 6 — тощий бетон; 7 — дренажный канал.
На канале с обеих сторон акведука должны быть перегораживающие сооружения для его отключения на период ремонта. Для отвода фильтрующей воды устраивают дренаж.
На рис. 72 показан акведук (мост-водовод) арочной конструкции в месте пересечения канала с рекой.
Дюкер — это напорный водовод, проложенный под дном оврага или реки. Иногда его прокладывают под настилом моста в целях снижения внутреннего давления и возможного подмыва трубопровода.
Дюкер должен иметь не менее двух водопроводящих линий. Соединен он с каналом при помощи входного и выходного оголовков, в камерах которых расположены затворы для включения и отключения одной из линий. Затворы входного оголовка регулируют расход и уровень воды в канале. Для предохранения от возможного гидравлического удара, возникающего при закрытии низового затвора, на входном оголовке устанавливают вантуз — вертикальную сбросную трубу, отводящую воду в нижний бьеф канала. В пониженных местах дюкер имеет водосбросные устройства.
Основной материал для дюкера — железобетон или стальные трубы. Входной оголовок выполняют из бетона или железобетона с креплением дна и откосов канала бетонными плитами или отмосткой камня.
Для предотвращения фильтрации из канала перед входным оголовком и в головной части сооружения при необходимости забивают шпунтовые ряды весьма разнообразной конструкции.
Особое внимание следует обращать на гидроизоляцию дюкера, поскольку фильтрация воды недопустима.
Размеры поперечного сечения дюкера определяют по формуле
ω — площадь поперечного сечения труб дюкера, м2;
Ζ — перепад (разность уровней воды перед дюкером и после него), м;
ε — коэффициенты местных сопротивлений.
На рис. 73, 74 показаны разные конструкции дюкеров.
Рис. 73. Конструкция железобетонного дюкера под каналом:
1 — подготовка из тощего бетона (10 см); 2 — осадочный шов; 3 — тощий бетон (25 см); а — продольный разрез; б — поперечный разрез.
Рис. 74. Схема дюкера с отстойниками (грязевиками):
1 — грузовик; 2 — решетка; 3— крышка.
На косогорных участках, в трудноразрабатываемых, неустойчивых и сильнофильтрующих грунтах, устраивают лотки круглой параболической, прямоугольной и трапецеидальной формы поперечного сечения из бетона, железобетона, бутового камня и дерева на опорах. Поперечное сечение лотка допускается меньше поперечного профиля канала, так как скорость течения воды в лотке может быть больше, чем в канале, и приниматься в зависимости от уклона равного 1—5 м/с.
Для предохранения косогорного участка от размыва и засорения лотка с нагорной стороны сооружают нагорные каналы.
На рис. 75 показаны поперечные сечения лотков с нагорной канавой.
Трубы укладывают в том случае, если дно канала выше пересекаемого небольшого водотока, ручья или тогда, когда канал пересекает неглубокий овраг.
При укладке трубопроводов (безнапорных и напорных) из стальных, чугунных, бетонных, железобетонных, деревянных и асбестоцементных труб потери на фильтрацию почти отсутствуют.
Гидротехнические туннели, т. е. закрытые водопроводящие или водоотводящие безнапорные или напорные сооружения под землей, прокладывают по крутым и обрывистым берегам при выходе рек из каньонов и ущелий, а также при пересечении водоразделов и возвышенностей, когда строительство каналов невозможно.
Туннели трассируют при условии получения полных инженерно-геологических изысканий и обоснования их необходимости по технико-экономическим соображениям.
Рис. 75. Схемы и конструкции лотков:
а и б — лотки с нагорной канавой; 1 — нагорная канава; 2 — земляной капал; 3 — лоток; 4 — бетонная облицовка; в — деревянный рамный лоток для наполнения до 1,5: 1 — доска для хождения; 2 — верхняя затяжка; 3 — уплотняющая полоса; 4, 5 — боковые затяжки; 6 — бетонные столбы; 7 — стык в обшивке.
Короткие туннели проектируют прямолинейными; в длинных предусматривают штольни, возводимые в ложбинах и низинах с устойчивыми неводоносными или маловодоносными породами.
Угол между трассой туннеля и направлением простирания пластов горных пород должен быть, по возможности, большим, в особенности в непрочных породах с большим давлением грунта.
Не рекомендуется прокладывать туннель на косогорных участках, пласты которых имеют уклон к долине и пересекают ее склон. Туннели в оползневых местах не сооружают.
Минимальное поперечное сечение туннеля должно быть не менее 1,5 м по ширине и 1,8 м по высоте.
Соотношение размеров поперечного сечения туннеля должно находиться в пределах 1—1,5 в зависимости от характера залегающих пород.
Поперечное сечение чаще всего бывает корытообразным, коробовым, трапецеидальным с большей шириной у основания, прямоугольным и круглым. При корытообразном, коробовом и прямоугольном сечениях потолок выполняют в виде свода полукруглого очертания.
Внутреннее сечение крепи во всех типах туннелей облицовывают для удержания стенок и потолка выработки от обрушения и разрушающего действия воды, воздуха, а также для уменьшения шероховатости и предотвращения фильтрации.
Облицовывают туннель бетонными, железобетонными или чугунными блоками, изготовленными из дерева, бутового камня, монолитного бетона и железобетона.
В туннелях давление грунта свода обрушения на крепь и облицовку зависит от различных факторов и теоретически трудно определимо. Экспериментально его можно определить акустическим методом проф. Η. Н. Давиденкова, который заключается в измерении деформации с помощью специальных струнных тензометров, укрепленных на испытываемом элементе.
Для практических расчетов пользуются формулами, таблицей и графиками проф. Μ. М. Протодьяконова.
На рис. 76 показаны некоторые типы туннелей.
Населенные места, промышленные и прочие объекты снабжают водой из каналов и других водоемов посредством водоприемных сооружений. Иногда воду на объект из канала подают самотеком. Для этого на канале устраивают водоприемное сооружение (рис. 77).
Гидравлический расчет каналов производится с применением различных формул для скоростного коэффициента С (Гангелье- Куттера, Базена, Маннинга и др.). В Советском Союзе для скоростного коэффициента С используют формулу акад. Η. Н. Павловского.
Рис. 76. Конструкции туннелей.
Рис. 77. Водоприемные сооружения из канала:
1 — входные окна; 2 — забральные стенки; 3 — грубая решетка; 4 — сетка; 5 — рабочий затвор; 6 — отверстие с затвором; 7 — водовод.
Для каналов трапецеидального сечения могут встретиться следующие случаи гидравлического расчета:
заданы расчетный расход воды Q, ширина канала по дну b, коэффициент заложения откосов т, продольный допустимый уклон дна канала i и коэффициент шероховатости канала п; определить среднюю скорость протекания воды в канале v и глубину протекания воды h в заданном сечении;
заданы расчетный расход Q, ширина канала по дну b, коэффициент заложения откосов т и тип крепления канала; определить глубину протекания воды в канале h, наибольшую допустимую скорость протекания воды в канале v и продольный уклон дна канала i;
заданы расчетный расход Q, глубина протекания воды в канале h, коэффициент шероховатости канала п или тип крепления и коэффициент заложения откосов т, определить ширину канала по дну b, максимально допустимую скорость протекания воды в канале v и продольный уклон дна канала i;
заданы расчетный расход Q средняя скорость протекания воды в канале v, коэффициент заложения откосов т, коэффициент шероховатости канала п и продольный допустимый уклон дна канала i; определить ширину канала по дну b и глубину протекания воды в канале h (в данном случае величинами b или h задаются);
заданы ширина канала по дну b, глубина протекания воды в канале h, коэффициент заложения откосов т, коэффициент шероховатости канала п и продольный допустимый уклон дна канала i; определить среднюю скорость протекания воды в канале v и расход воды Q;
заданы расчетный расход воды Q, коэффициент заложения откосов т, коэффициент шероховатости канала п или тип крепления и продольный допустимый уклон дна канала i; определить среднюю скорость протекания воды в канале υ, ширину канала по дну b и глубину протекания воды в канале h;
заданы расчетный расход воды Q, коэффициент заложения откосов т и коэффициент шероховатости канала п или тип крепления; определить продольный уклон дна канала i, максимально допустимую скорость протекания воды в канале и, ширину канала по дну b и глубину протекания воды в канале h.
Во всех случаях гидравлического расчета каналов скорости протекания воды не должны превышать допускаемые.
Для каналов трапецеидальных гидравлических наивыгоднейшего профиля могут встретиться следующие случаи гидравлического расчета;
заданы расчетный расход воды Q, ширина канала по дну b и коэффициент заложения откосов т; определить глубину протекания воды в канале h, уклон дна канала i, среднюю скорость протекания воды в канале v и тип крепления (облицовки) дна и откосов канала;
заданы расчетный расход Q, глубина протекания воды в канале h и коэффициент заложения откосов т; определить ширину канала по дну b, продольный уклон дна канала i, среднюю скорость протекания воды в канале v и тип крепления (облицовки) дна канала и откосов;
заданы расчетный расход воды Q, коэффициент заложения откосов т, продольный уклон дна канала i и коэффициент шероховатости (облицовки) канала п; определить ширину канала по дну b, глубину протекания воды в канале h и среднюю скорость протекания воды в канале v;
заданы расчетный расход воды Q, коэффициент заложения откосов т и тип крепления канала; определить ширину канала по дну b, глубину протекания воды в канале h, продольный уклон дна канала i и среднюю скорость протекания воды в канале i.
Расход воды в канале определяется по Формуле
Допускаемые расчетные скорости течения воды в каналах принимают в зависимости от их назначения, топографических и геологических условий, в которых будет проходить трасса канала, и от условий его будущей эксплуатации. Их необходимо обосновать технико-экономическими расчетами при соблюдении следующих основных требований: скорость течения воды не должна размывать русло, не быть ниже предельной во избежание заиления русла взвешенными наносами и его заростания, должна обеспечить специальные эксплуатационные требования и создание необходимых режимов в разное время года.
Минимальную скорость течения воды в канале принимают не менее 0,20 м/с.
Предельную незаиляющуюся скорость определяют по формуле [2]
(108)
где М — мутность потока, кг/м3;
Wср — средневзвешенная (среднегеометрическая) гидравлическая крупность наносов, м/с;
R — гидравлический радиус, м;
i — продольный уклон дна канала; 
