14.2.1. Трассирование каналов
Магистральные каналы любого назначения являются весьма капиталоемкими сооружениями. Стоимость их строительства зависит от параметров, длины трассы, природных условий на трассе канала, количества и сложности сооружений, способа подачи воды по каналу, условий строительства и ряда других факторов, которые в свою очередь определяются положением трассы канала. Поэтому трассирование канала является наиболее ответственной задачей при его проектировании. В зависимости от назначения канала основные факторы, влияющие на выбор трассы, несколько различны, однако в каждом конкретном случае анализируются природные условия района возможного прохождения канала, сложившиеся и перспективные хозяйственные условия этого района, наличие населенных пунктов и промышленных объектов, условия сельскохозяйственного использования территории и другие факторы. Обычно при трассировании каждого канала рассматриваются несколько возможных вариантов трассы, из которых на основе техникоэкономического сопоставления выбирается оптимальное решение.
В ряде случаев взаимное расположение источника водоснабжения и района водоподачи позволяет осуществлять подачу воды по каналу двумя принципиально различными способами — в самотечном режиме и с машинным подъемом. При самотечной водоподаче затраты в период эксплуатации канала существенно ниже, в то же время такой способ водоподачи в большинстве случаев приводит к удлинению трассы канала, иногда удалению ее от промежуточных водопотребителей, к необходимости создания дополнительных искусственных сооружений, увеличению потерь воды из канала, что в результате связано с увеличением капитальных вложений в строительство канала. В подобных случаях выбор способа водоподачи, а следовательно, и принципиального решения, о направлении трассы канала производится на основании экономического анализа с учетом расходов на эксплуатацию канала. На выбор способа водоподачи существенное влияние оказывает также назначение канала. Например, традиционное трассирование каналов ирригационного назначения на командных отметках в большинстве случаев приводит к их строительству с машинным подъемом.
Особенности рельефа местности в основном направлении канала имеют определяющее значение для характера его трассы. В условиях пересеченной местности, в предгорных районах, при подаче воды на возвышенности в большинстве случаев отдельные участки трассы канала занимают различное высотное положение. Связь между ними осуществляется либо насосным подъемом, либо устройством перепадов. На каналах с машинным подъемом общая высота и характер рельефа определяют количество ступеней подъема и их параметры. Для самотечных каналов рельеф местности в основном направлении определяет количество и параметры перепадов, а в отдельных случаях и возможности попутного энергетического использования перепадов путем строительства на них гидроэлектростанций.
Опыт проектирования, строительства и эксплуатации каналов различного назначения показывает, что выбор числа ступеней подъема канала при насосной подаче или спусков при самотечном режиме и параметры этих ступеней имеют весьма существенное значение. От числа ступеней канала, длины каждой ступени и расположения сосредоточенных подъемов или перепадов зависит объем работ по каналу, условия расположения трассы на отдельных его участках и параметры искусственных сооружений. Анализ структуры стоимости каналов, построенных в условиях сложного рельефа, свидетельствует о том, что удельный вес стоимости сооружений для подъема или сброса воды достигает в. отдельных случаях 30% и более. Кроме того, эти сооружения являются наиболее трудоемкими при строительстве, в то время как прогресс в. развитии землеройной техники ликвидировал трудности, связанные с выполнением значительных объемов земляных работ. В затратах на эксплуатацию каналов стоимость эксплуатации сооружений имеет также превалирующее значение. В связи с этим задача создания экономичных сооружений с хорошими эксплуатационными данными является весьма актуальной.
Одним из эффективных путей снижения стоимости и упрощения технологии строительства сооружения, в частности насосных станций, а также снижения эксплуатационных затрат, является унификация их параметров, основным из которых является напор водоподачи или высота перепада.
При технической оценке сопоставляемых вариантов трассы канала на отдельных его участках отдают предпочтение трассам, на которых живое сечение русла канала находится в выемке или полувыемке-полу- насыпи. Обычно избегают длинных участков канала в насыпи, поскольку строительство таких каналов требует существенного усложнения производства работ и повышает возможность аварийных ситуаций в период эксплуатации. Глубину выемки на трассе канала обычно также ограничивают, при этом имеющуюся на отдельных участках уже построенных каналов глубину выемки 30 м следует, очевидно, рассматривать как предельную из-за резкого осложнения условий эксплуатации таких участков. В случае необходимости изменяется плановое расположение трассы канала или рассматривается целесообразность строительства дополнительной насосной станции или туннеля.
Разбивка всей трассы канала на участки подъема или спуска производится в строгой увязке с природными условиями, а следовательно, с положением трассы на каждом участке. В отдельных случаях трудности, связанные с прохождением каналом участков с резко осложненным рельефом или неблагоприятными инженерно-геологическими условиями, могут повлиять на положение всей трассы канала. В большинстве случаев оказывается предпочтительной трасса вдоль горизонтали с необходимым заглублением относительно поверхности земли. Обычно такое расположение канала приводит к увеличению его длины, однако опыт строительства практически всех каналов подтверждает целесообразность такого решения. Основным преимуществом в данном случае является существенное упрощение производства земляных работ благодаря применению бестранспортных схем разработки. Однако не во всех случаях удается применить такое решение, поскольку, например, при сложном рельефе неоправданно удлиняется трасса канала и приходится прибегать к решениям, предусматривающим применение туннелей, дюкеров, акведуков, глубоких выемок, насыпей и т. д. В каждом конкретном случае решение принимается на основе технико-экономического анализа сопоставляемых вариантов с учетом стоимости, условий строительства и последующей эксплуатации сооружений.
Существенное значение при трассировании каналов, особенно в условиях пересеченной местности, имеет поперечный уклон рельефа. Имеется опыт прокладки каналов на местности с весьма большим поперечным уклоном, особенно при строительстве деривационных каналов гидроэлектростанций. Конструкция поперечного сечения канала на таких участках в зависимости от инженерно-геологического строения склона может быть различной, но в каждом конкретном случае необходима полная убежденность в длительной устойчивости основания сооружения.
Одним из основных факторов, определяющим положение канала на местности, являются инженерно-геологические условия трассы. Обычно изучаются региональные геологические условия для выявления принципиальной возможности строительства канала на данном участке, а также инженерно-геологические условия непосредственно по трассе канала для определения требований к его поперечному сечению. Основное значение с точки зрения принципиальной возможности строительства имеет выявление как древних, так и современных геологических аномалий — таких как крупные сейсмические нарушения земной коры, карстовые явления, наличие региональных оползневых процессов, плывунных грунтов и т. д. Особое внимание при этом уделяется устойчивости склона, по которому канал трассируется, так как оползневые явления крайне опасны для сохранности канала. В отдельных случаях склоны, устойчивые в естественном виде, приобретают тенденцию к оползанию после строительства канала в результате изменения гидрогеологических условий.
Рис. 14.2. Продольные профили некоторых каналов СССР.
а — канал имени Москвы; б — канал Северский Донец — Донбасс; в — канал Днепр — Донбасс; г — канал Иртыш — Караганда; д — головная часть Большого Ставропольского канала и канал Зеленчуки — Кубань; е — Каршинский канал.
Строительство каналов на оползневых и потенциально оползневых склонах обычно сопряжено с выполнением большого объема работ по стабилизации или предотвращению оползней, а часто вообще невозможно. Основными мероприятиями, обеспечивающими надежное решение при строительстве каналов на таких потенциально опасных участках, являются разгрузка склона путем удаления наиболее активной части оползневого тела, полное удаление склонных к оползанию масс грунта, создание упорных сооружений, обеспечивающих устойчивость оползневых тел, создание дренажной сети, предотвращающей повышение уровня грунтовых вод выше допускаемых горизонтов. На рис. 14.3,5 приведено решение, обеспечивающее стабилизацию оползневого склона на одном из каналов.
При сопоставлении условий врезки канала предпочтение обычно отдается руслу канала в мягких грунтах. Целесообразность такого решения подтверждается опытом строительства практически всех каналов. Создание русла канала в скальных грунтах сопряжено со значительным усложнением технологии производства работ и приводит к существенному увеличению стоимости строительства. Кроме того, в большинстве случаев русло канала в скальных грунтах требует устройства противофильтрационной облицовки.
При назначении трассы следует стремиться к максимальному сохранению наиболее ценных сельскохозяйственных земель и прежде всего пашни. Трассирование каналов по пашне требует тщательного обоснования, а создание карьеров недопустимо. В этой связи следует отметить, что в последнее время получают распространение каналы, трассируемые в поймах рек; примером может служить канал Днепр — Донбасс, проложенный в пойме рек Орели и Орельки на длине 193 км. Такое решение позволяет в большинстве случаев значительно уменьшить ущерб, наносимый строительством канала сельскому хозяйству, типизировать сооружения канала, уменьшить потери воды из него и благодаря применению гидромеханизации существенно упростить производство земляных работ. Однако оно не везде приемлемо, так как, например, в поймах рек с высокими паводками не удается создать экономически оправданную защиту канала от реки и тем самым уменьшить отрицательные последствия для него руслоформирующих процессов, а также обеспечить необходимое санитарное состояние канала. Во всех случаях подлежит обязательному выявлению ущерб, наносимый пойме реки прежде всего как кормовой базе животноводства.
При проектировании каналов уделяется большое внимание анализу возможных последствий его строительства. Особо тщательного подхода требует предотвращение подтопления прилегающих к каналу территорий путем создания надежной противофильтрационной облицовки канала либо дренажной сети на прилегающей территории.
На рис. 14.2 приводятся продольные профили нескольких каналов различного назначения с подъемом воды от 40 до 400 м. Различные топографические условия трассы канала с машинным подъемом определили различное число ступеней подъема. Так, на канале Северский Донец — Донбасс для подъема воды на 200 м построены четыре насосные станции, а на канале Днепр — Донбасс, протрассированном в пойме рек, для подъема воды на 60 м экономически обосновано строительство 12 насосных станций. Удачна разбивка иртышского склона канала Иртыш — Караганда, днепровского склона канала Днепр — Донбасс, амударьинского склона Каршинского канала на равные ступени подъема. Это позволило унифицировать основные сооружения и оборудование каналов и экономично протрассировать канал на каждом участке. Водохозяйственный комплекс Большого Ставропольского канала является примером самотечного канала с попутным энергетическим использованием стока на перепадах (каскад из семи гидроэлектростанций на этой системе имеет суммарную мощность 900 тыс. кВт).
14.2.2 Поперечное сечение канала и гидравлический режим
Форма поперечного сечения канала, в том числе и крутизна откосов определяется расходом воды, инженерно-геологическими условиями трассы канала, типом одежды и способом производства работ. Соотношение ширины и глубины канала при заданном очертании откосов определяется на основе специального расчета по подбору гидравлически наивыгоднейшего поперечного сечения.
Наиболее распространенная форма поперечного сечения канала — трапецеидальная. Этот профиль имеет ряд технологических преимуществ при производстве земляных работ и устройстве одежды канала. В отдельных случаях, когда канал врезается в пачки грунтов с различными геотехническими показателями, откосам канала придается ломаное очертание с крутизной каждого участка, соответствующей характеристикам грунтов. Иногда откосы канала выполняются полигонального очертания, близкого к теоретической кривой устойчивости откоса, однако это приводит лишь к усложнению производства земляных работ, не компенсируемому другими преимуществами. При назначении крутизны откосов канала в набухающих и других грунтах с низкими геотехническими показателями следует быть особенно осторожным. Практически на каждом канале на участках с залеганием таких грунтов имеет место деформация поперечного сечения в виде оплывания и разрушения верхней части откоса в пределах переменного уровня, а на некоторых каналах и мелкие оползни. Такие явления в подавляющем большинстве случаев не приводят к катастрофическим последствиям, однако проведение ремонтных работ в условиях действующего сооружения сопряжено со значительными трудностями. В качестве примера на рис. 14.3 приведены возможные поперечные сечения канала на различных участках с различным геологическим строением основания.
Рис. 14.3. Сечения канала в различных условиях.
а - в полувыемке-полунасыпи; б - в насыпи (с устройством экрана); в - в мягких грунтах; г - в скальных грунтах; б - в оползневых склонах
Продольный уклон канала и скорость течения воды в нем определяются в первую очередь инженерно-геологическими условиями и типом одежды канала. Для некрепленых каналов в мягких грунтах максимальная скорость течения обычно принимается несколько ниже допускаемой неразмывающей скорости течения для грунтов русла канала, которая колеблется в большом диапазоне: от 0,3 для мелких песков до 2 м/с и более для тяжелых связных грунтов. Установление скорости течения воды в канале большой длины, проходящем в сложных инженерно-геологических условиях, требует поэтому технико-экономического обоснования. В большинстве случаев для некрепленых каналов скорость течения задается постоянной для наиболее характерных участков, а на участках с резко отличными геологическими условиями приходится переходить к изменению площади поперечного сечения, устройству облицовки либо изменению уклона. То или иное конструктивное решение выбирается обычно на основе экономического сопоставления с учетом других факторов, в частности, необходимости устройства противофильтрационной одежды на этих участках. Для крепленых каналов, а также каналов, проходящих в сохранных скальных породах, средняя -скорость течения задается обычно повышенной, но в каналах, предназначенных для водоснабжения и ирригации, независимо от типа крепления обычно не превышает 1,5 м/с. Учитывается также, что скорость должна быть достаточной для транспортирования наносов, попадающих в канал на водозаборном гидроузле.
Соотношение основных размеров поперечного сечения трапецеидальных каналов — ширины по дну и глубины наполнения — при заданном заложении откосов — должно находиться в гидравлически наивыгоднейшей области. Нарушение этого принципа может привести к существенному увеличению объема строительных работ.
При проектировании весьма крупных каналов с некрепленым руслом возникает необходимость обеспечения их русловой устойчивости, т. е. определения для данного расхода, грунтов канала и мутности потока формы его поперечного сечения, соответствующей скорости течения воды.
