Каналы находят широкое -применение в схемах деривационных гидроэлектростанций СССР. Наиболее протяженными являются каналы Фархадской (13,8 км), Андижанской (12,8 км), Перепадной на р. Вахш (10,4км) и некоторых других ГЭС. На каскадах ГЭС наибольшую суммарную длину каналов имеют Самгорские ГЭС (32,9 км), Севано-Зангинские ГЭС (28,5 км), Чирчик-Бозсуйский водный тракт. По пропускной способности наибольшими являются каналы Нарвской (760 м3/с), Фархадской (535 м3/с), Выгскнх (340 — 410 м3/с) и Нижнетуломской (350 м3/с) ГЭС. Скорости течения воды в деривационных каналах составляют от 0,7 м/с (Нижнетуломская ГЭС) до 2,2 м/с (Нарвская ГЭС).
Сечения деривационных каналов. Форма поперечного сечения канала зависит главным образом от геологических и топографических условий его трассы. Преобладающей формой’ является трапецеидальная (рис. 28.3, схема I). Если канал трассируется в глубокой выемке в грунтах, обладающих малым углом естественного откоса (плывуны, глины и др.), то поперечному сечению канала придают полигональный (схема II), параболический (схема III) или круговой (схема IV) профиль. В скальных ненарушенных породах возможны откосы с большой крутизной вплоть до вертикальных (схема V).
Расположение канала относительно поверхности земли. Расположение канала в выемке обычно обеспечивает лучшую устойчивость откосов, находящихся в плотных слежавшихся грунтах, упрощает технологию строительства, но увеличивает объем земляных работ. Расположение канала в полувыемке-полунасыпи обеспечивает наименьший объем земляных работ, однако может привести к неравномерной деформации откосов канала, что ухудшает условия их работы, а следовательно, вызывает необходимость утяжеления облицовки. Устройство деривационного канала целиком в искусственной насыпи характеризуется, как правило, большими объемами земляных работ. Кроме того, оно требует применения сложной конструкции облицовки, обеспечивающей предотвращение фильтрации из канала. В связи с этим деривационные каналы в насыпи встречаются крайне редко, лишь при пересечении водотоков или на участках неглубоких понижений местности.
Элементы русла канала. Основные конструктивные элементы, образующие русло деривационного канала гидроэлектростанции, изображены на рис. 28.4. Ширина канала по дну и глубина определяются на основе гидравлических расчетов с учетом геологических условий и методов производства работ. Крутизна откосов и ограждающих дамб канала принимается из условий устойчивости откосов с учетом облицовки. Превышение основных берм и гребня дамбы над наивысшим уровнем, воды в деривационном канале устанавливается с учетом волны нагона в пределах от 0,2 до 0,8 м в зависимости от размеров канала.
Крепление откосов канала. Деривационные каналы редко выполняются без облицовки дна и откосов. Применение искусственных облицовок вызвано в первую очередь целесообразностью сокращения площади живого сечения канала путем уменьшения коэффициента шероховатости и увеличения допустимой скорости течения воды, а также необходимостью уменьшения фильтрационных потерь.
Рис. 28.4. Конструктивные элементы русла канала
Кроме того, применение облицовок уменьшает или полностью устраняет возможность выпора грунтов, слагающих дно и откосы, вследствие колебаний уровня воды в канале; предохраняет русло канала от повреждения плавающими предметами, льдом или землеройными животными; предотвращает зарастание деривационного канала водной растительностью.
Наиболее распространенными типами облицовок деривационных каналов являются бетонные и железобетонные облицовки: они надежны в эксплуатации, почти не требуют ремонта и меньше зависят от геологических условий. Хотя бетонные и железобетонные облицовки имеют относительно высокую стоимость и требуют расхода привозных материалов — цемента и арматурной стали, при наличии на месте заполнителей для приготовления бетона они чаще всего оказываются наиболее экономичными.
При устройстве монолитной бетонной облицовки откосы и дно канала покрываются бетоном непосредственно на месте. Бетон укладывается, как правило, на слой специальной дренирующей подготовки из гравия, щебня или крупнозернистого песка (рис. 28.5). Толщина бетонной облицовки обычно принимается равной 10 — 15 см. В местах сопряжения облицовки откосов с дном канала и изменения крутизны откосов для придания облицовке большей устойчивости делаются утолщения в виде упора. В зоне образования ледового покрова облицовка утолщается на 50 — 75%.
Рис. 28.5. Монолитная бетонная облицовка
Температурные деформации и усадка бетона предопределяют необходимость устройства в монолитной облицовке швов, расстояние между «которыми составляет 3 — 6 м по длине канала. В практике гидроэнергетического строительства применяются разнообразные конструкции швов монолитных облицовок деривационных каналов. В качестве уплотняющих материалов применяют дерево, асфальт и асфальтовые смеси, толевые прокладки, битумные обмазки, войлок и паклю, пропитанные смолами, и реже —металлические листовые эластичные прокладки — медные или из иных нержавеющих металлов. Возможно применение современных полимерных материалов, например на основе эпоксидных смол и герметизирующих эластомеров.
Железобетонная облицовка отличается от бетонной большей прочностью, сопротивляемостью местным деформациям и просадкам грунта, а также большей надежностью в эксплуатации. Из-за высокой стоимости ее применяют в сложных геологических условиях, а также при осуществлении в канале суточного регулирования с резкими по времени и большими по амплитуде колебаниями уровня воды.
Железобетонные облицовки имеют толщину 7 — 15 см, армирование, как правило, не превышает 2 %. Сетчатая арматура из стержней диаметром 8 — 12 мм устанавливается из расчета 3 — 5 стержней на 1 м длины облицовки в обоих направлениях. При необходимости железобетонная облицовка откосов, так же как и бетонная, может иметь переменную толщину.
Поскольку бетонные и железобетонные облицовки нельзя считать абсолютно водонепроницаемыми, с целью уменьшения расхода фильтрующей через облицовку воды в случае необходимости прибегают к устройству гидроизоляции. При наличии в основании бетонной или железобетонной облицовки малопроницаемых грунтов для уменьшения противодавления необходимо устройство песчано-гравелистой или щебеночной подготовки или дренажа.
Наряду с монолитными бетонными и железобетонными облицовками возможно крепление откосов и дна деривационных каналов отдельными плитами. Несомненными преимуществами облицовки из бетонных или железобетонных плит являются ее гибкость, что важно при грунтах с неравномерной осадкой; возможность ее устройства в любое время года, а также изготовление отдельных элементов облицовки индустриальным способом. Последние два обстоятельства позволяют ускорить производство работ. Однако сборные облицовки из отдельных плит не находят еще широкого применения в гидроэнергетическом строительстве. Основной причиной этого является большое количество швов, которые увеличивают шероховатость русла и потери воды на фильтрацию. Кроме того, относительно малая масса плит и отсутствие связи между ними создают опасность их смещения при быстром понижении уровня воды в канале, а также в результате примерзания к ним ледового покрова.
Помимо бетонных и железобетонных облицовок для крепления откосов каналов и уменьшения потерь воды на фильтрацию применяются также облицовки из асфальтовых и битумных смесей. Широкие возможности в разработке новых типов облицовок открывает использование современных полимерных материалов (полиэтилена, винипласта и др.), обладающих высокими физико-механическими свойствами и надежными эксплуатационными качествами.
Трассирование каналов. Выбор трассы является основной задачей проектирования деривационного канала, определяющей конструктивное решение его элементов, состав и количество инженерных сооружений, объемы строительных работ, условия их выполнения, а в ряде случаев возможность бесперебойной эксплуатации. Трасса канала, таким образом, должна выбираться на основании технико-экономического сопоставления вариантов в зависимости от общей схемы гидроэлектростанции, топографических и инженерно-геологических условий местности, по которой проходит канал. Серьезное влияние на выбор трассы в отдельных случаях оказывают существующие сооружения, а также необходимость отчуждения ценных земель.
В целях уменьшения объемов строительных работ трассу деривационного канала желательно прокладывать по кратчайшему расстоянию от головного узла к станционному, однако топографические и геологические условия местности зачастую заставляют отступать от этого правила.
Одним из существенных элементов трассы являются радиусы закругления. Чем меньше минимальный допустимый радиус закруглений, тем легче трассировать канал. Однако уменьшение радиуса закруглений возможно лишь до известного предела. Минимальное значение радиуса зависит от потерь напора, допустимого перекоса поверхности воды на закруглении и условий пропуска шуги и льда по каналу. В обычных условиях радиус закругления принимают не менее 5 b, где b — ширина канала по дну. При пропуске по каналу льда и шуги минимально допустимый радиус находится в пределах 10 — 20 b, возрастая с увеличением угла поворота трассы.
Сооружения на деривационном канале. Трасса деривационного канала при значительной ее протяженности обычно пересекает реки, овраги, искусственные сооружения и т. п. Большинство из этих пересечений устраивается на разных уровнях и требует строительства сложных сооружений.
Небольшие ручьи с максимальным расходом, значительно меньшим расхода канала, пропускают в зависимости от местных условий либо путем устройства трубы под каналом, либо лотка над ним. При значительных расходах водотока, пропускаемых через трассу канала, и относительно небольшой разности уровней воды в них устраиваются дюкеры. Переход канала через реку, овраг или переброску реки через канал при значительной разности уровней воды в обоих водотоках обычно осуществляют при помощи акведука.
Инженерные сооружения на деривационных каналах включают также устройства для защиты канала от сора или наносов, влекомых ливневыми или талыми водами. С этой целью с нагорной стороны канала предусматривают специальные каналы для сбора ливневых и талых вод. Пропуск селевых потоков и ливневых вод через трассу канала требует сооружения крупных лотков, располагаемых выше канала, или трубчатых конструкций, пропускаемых под каналом. При прохождении трассы канала по оползневым косогорным участкам обычно предусматривают мероприятия по обеспечению их устойчивости путем дренирования склона, строительства подпорных стенок.
