Назначение сооружений
При строительстве каналов возникает необходимость создания большого числа разнообразных гидротехнических сооружений, с помощью которых обеспечиваются:
забор воды из водоисточника в канал (водозаборные сооружения и головные узлы);
подъем воды при подаче ее на более высокие отметки (насосные станции);
сопряжение отдельных участков канала (быстротоки и перепады); водообеспечение потребителей (водовыпуски);
вододеление между отдельными потребителями (шлюзы-регуляторы и вододелители);
транзит стока в условиях сложного рельефа и пересечения с другими сооружениями (акведуки, дюкеры, туннели, трубы, галереи, путепроводы, мосты и др.);
необходимый режим течения и уровней воды в канале (перегораживающие сооружения);
удаление из канала плавающих предметов и льда (сороудерживающие сооружения, шугосбросы);
рыбозащита (рыбозаградители или рыбоотводы).
В большинстве случаев отдельные сооружения выполняют одновременно несколько функций. Особенно велико количество сооружений на каналах, проходящих в сильно пересеченной местности. Поскольку на косогорных участках канал отсекает склоновый сток с нагорной стороны, для беспрепятственного пропуска через канал малых водотоков устраиваются трубы-ливнепроводы, являющиеся самыми распространенными сооружениями. В отдельных случаях в систему каналов входят водохранилища, создаваемые на примыкающих к каналу водотоках для регулирования стока воды по каналу, причем в этих случаях при строительстве каналов приходится возводить и подпорные сооружения. При строительстве деривационных энергетических каналов с водозаборами из горных рек для уменьшения износа гидротурбин и заиления каналов в голове их устраивают сооружения для улавливания крупных фракций твердого стока — отстойники. Все перечисленные сооружения являются достаточно трудоемкими при строительстве, и в большинстве случаев сроками их возведения и определяется продолжительность сооружения всего канала. Стоимость строительства сооружений на каналах также достаточно высока, достигая в отдельных случаях 50% и более полной стоимости строительства. Поэтому задача создания технологически простых и экономичных сооружений на каналах является весьма актуальной.
14.4.2. Насосные станции
На каналах с машинным подъемом воды насосные станции являются наиболее сложными, дорогостоящими и ответственными сооружениями, от нормальной работы которых в большой мере зависит надежность подачи воды потребителям. Поэтому задача удешевления насосных станций, сокращения сроков их строительства, повышения надежности работы оборудования наряду с созданием условий нормальной эксплуатации является наиболее важной.
Первый опыт проектирования и строительства крупных насосных станций на каналах в отечественной практике накоплен при сооружении канала имени Москвы, а затем Волго-Донского судоходного канала имени В. И. Ленина. С учетом этого опыта в последующем были построены крупные насосные станции на каналах Северский Донец— Донбасс (рис. 14.7), Днепр — Кривой Рог и ряде ирригационных каналов. Наряду с использованием опыта эксплуатации построенных станций в разрабатываемых проектах широко применяется усовершенствованное и новое основное и вспомогательное оборудование большой производительности, имеющее высокие эксплуатационные характеристики, позволяющее существенно упростить строительную часть здания станции, например горизонтальные агрегаты для насосных станций с малыми напорами.
Широко внедряется унификация конструкций и индустриализация строительства насосных станций благодаря применению сборного железобетона, объемы использования и качество которого удовлетворяют требованиям технико-экономической целесообразности; совершенствуются также конструкции напорных трубопроводов.
В табл. 14.2 приведены данные по насосным станциям на ряде построенных и строящихся каналов. Важно отметить, что практически на каждом канале, там, где это экономически оправдано в целом для всего канала, принята максимальная унификация основных параметров станций, что является основой сокращения стоимости и сроков строительства путем индустриализации процесса их возведения, а также создает неоспоримые эксплуатационные преимущества. Идея разбивки участка подъема на ровные ступени была заложена еще на канале имени Москвы и развита на всех последующих сооружениях. Наиболее широко унификация насосных станций использована на каналах Иртыш—Караганда, Днепр— Донбасс и на Каршинском магистральном канале.
Рис. 14.7. Насосная станция канала Северский Донец Донбасс.
Таблица 14.2. Насосных станции каналов различного назначения
Рис. 14.8. Насосная станция канала Днепр — Донбасс.
При строительстве каналов и ирригационных систем на равнинной территории часто возникает необходимость в подъеме воды небольшими ступенями. В этих условиях, как показал опыт строительства канала Днепр — Донбасс, эффективно применение горизонтальных насосных агрегатов. Такое решение позволяет упростить строительную часть станции и существенно улучшить условия эксплуатации и ремонта оборудования. Одной из характерных особенностей компоновки насосной станции канала Днепр — Донбасс (рис. 14.8) является конструкция водоприемника с открытой камерой, перекрываемой сегментным затвором, что обеспечивает наилучшие условия пуска горизонтального агрегата.
Часто с насосными станциями совмещаются сооружения, выполняющие другие эксплуатационные функции, как, например, на насосной станции канала Северский Донец — Донбасс, с которой совмещено сороудерживающее сооружение (рис. 14.7). На рис. 14.9 приведена компоновка насосной станции магистрального канала Каховской оросительной системы с наиболее крупным насосным оборудованием, применяемым в настоящее время.
В последние годы водоприемники насосных станций с трубопроводами в большинстве случаев выполняются сифонного типа, при этом сифон оборудуется устройством срыва вакуума, позволяющим отключить трубопровод от верхнего бьефа станции в случае необходимости.
Рис. 14.9. Насосная станция Каховского канала.
Рис. 14.10. Насосная станция на Кубанском водохранилище.
Насосные станции больших каналов являются весьма крупными потребителями электрической энергии. Так, на канале Северский Донец — Донбасс суммарная мощность, потребляемая насосными станциями, составляет 80 МВт, Иртыш — Караганда 350 МВт, Днепр — Донбасс 160 МВт, Каршинском 515 МВт.
Иногда, в частности при наполнении и сработке наливных водохранилищ, на насосных станциях может быть в период наполнения водохранилища утилизирована энергия воды. Первая насосная станция с обратимыми агрегатами построена на Кубанском водохранилище, входящем в систему Большого Ставропольского канала (рис. 14.10).
14.4.3. Водозаборные узлы
В зависимости от объема забираемого в канал стока, высотного положения начального участка канала относительно реки, а также характера русловых процессов речные водозаборные узлы могут быть плотинные и бесплотинные. Плотинные водозаборы устраиваются преимущественно в тех случаях, когда в канал забирается практически весь сток реки за исключением санитарного расхода, что характерно прежде всего при заборе воды на ирригацию, водоснабжение и в деривационные каналы ГЭС из водотоков небольшой мощности. В отдельных случаях плотинные водозаборы устраиваются и при частичном отводе стока реки, если строительство плотин диктуется и другими соображениями, например необходимостью регулирования стока реки. При осуществлении водозабора в каналы из крупных водотоков осуществляются бесплотинные водозаборы. К третьему типу водозаборного узла можно отнести водозабор в канал из водохранилища, характерной особенностью которого является необходимость водоподачи в канал при любом горизонте воды в водохранилище в пределах призмы сработки.
Наиболее сложными сооружениями являются плотинные водозаборы. Строительство плотины и нарушение естественного режима водотока приводят к необходимости наряду с решением вопросов, связанных с водозабором, решать вопросы пропуска через водозаборный узел паводков, твердого стока, шуги, а в отдельных случаях и строительства судоходных сооружений. Кроме того, создание подпорных бьефов и изъятие части стока неизбежно связано с нарушением установившейся транспортирующей способности потока, что приводит к деформации русла реки до водозабора и за ним. На шугоносных реках и реках, несущих большое количество наносов, наиболее сложными являются вопросы обеспечения транзита твердого стока и шуги через плотинный водозаборный узел. Для этого в составе водозаборных узлов создаются специальные сооружения, призванные исключить попадание в канал твердого стока, мусора и шуги. В настоящее время, особенно на горных и предгорных реках, эксплуатируется и строится большое количество подобных сооружений разнообразной компоновки и конструкции.
На рис. 14.11 приводится конструктивное и компоновочное решение плотинного водозабора, в состав сооружений которого входят паводковый водосброс, водоприемник канала, промывочные устройства и шугосбросы. Сброс шуги осуществляется через специально оборудованный пролет водосброса, для обеспечения промывки отложившихся перед водоприемником наносов перед входом в него создается специальный порог. Водопропускные отверстия плотины также приспособлены для сброса через них в период прохождения паводков наносов, отложившихся в верхнем бьефе водозаборного гидроузла. Такими периодическими промывками часть емкости верхнего бьефа длительное время поддерживается свободной от наносов и тем самым облегчается борьба с ними. Сброс наносов через отверстия плотины требует облицовки проточной части и гасителей износостойкими материалами. Наиболее предпочтительными в данном случае оказываются гасители типа консольных сбросов.
Рис. 14.11. Водозаборный узел на горной реке.
1 — грунтовая плотина; 2 —паводковый водосброс; 3 — водозабор; 4 — шугосброс; 5 — промывные галереи; 6 — транзитный канал.
Бесплотинные водозаборы устраиваются в основном на равнинных реках, при этом в большинстве случаев в голове канала создается сооружение для регулирования попусков в канал и его отключения. Для обеспечения устойчивости и работоспособности этих сооружений необходим тщательный и длительный анализ русловых процессов реки в районе водозабора. Забор воды в канал из водохранилища с большой глубиной сработки осуществляется обычно с помощью башенного оголовка, обеспечивающего нормальный режим работы водозабора при любом уровне воды в водохранилище. При питании канала из рыбопромысловых рек и водохранилищ обязательным является устройство на водозаборном узле рыбозаградителя (подробнее см. гл. 15).
Дюкеры и трубопроводы
При строительстве магистральных каналов и насосных станций в условиях пересеченной местности возникает необходимость строительства дюкеров и трубопроводов. Устройство дюкеров, особенно на водотоках, всегда усложняет производство работ и требует дополнительных затрат. Поэтому при выборе трассы канала и места расположения насосных станций всегда анализируется возможность обхода преград и сокращения длины напорного трубопровода. Если оказывается невозможным избежать строительства дюкера, ведется поиск трассы канала, позволяющей сократить его длину и уменьшить напор в нем. В каждом конкретном случае оптимальное решение выбирается на основании технико-экономического сопоставления вариантов.
Большое число дюкеров общей длиной 15,7 км построено на канале Северский Донец — Донбасс. Наиболее крупный из них — дюкер через балку Железную длиной 10,6 км с максимальным перепадом около 90 м — является уникальным сооружением такого рода, крупнейшим в отечественной практике.
Трубопроводы дюкеров обычно изготавливают стальными или железобетонными. Первые напорные трубопроводы из монолитного железобетона с напором 50 м были построены на канале Северский Донец— Донбасс, их общая длина составляет 12,3 км, диаметр 2,8 м. Большая часть этих трубопроводов выполнена с армированием бетона предварительно обжатой арматурой, что позволило при некотором перерасходе стали существенно уменьшить объем бетона. Опыт совместной эксплуатации стальных и засыпных железобетонных трубопроводов дюкеров канала Северский Донец — Донбасс показал большие эксплуатационные преимущества последних, так как они не требуют практически никаких эксплуатационных затрат, в то время как стальные трубопроводы требуют постоянного внимания и затрат труда на регулировку опор и компенсаторов, покраску и проведение других ремонтно-восстановительных работ. Уплотнения стыков отдельных секций трубопроводов, выполненные с использованием трехкулачковой резиновой шпонки, впервые примененной в отечественной практике, работают хорошо уже в течение 25 лет.
В последние годы для ряда гидроэнергетических объектов и каналов разработаны и применяются конструкции сборных железобетонных напорных трубопроводов большого диаметра. На деривациях Кубанского каскада ГЭС (Большой Ставропольский канал) построено более 7 км трубопроводов с внутренним диаметром 4 м и максимальным напором до 80 м из сборных предварительно напряженных железобетонных звеньев. Стык отдельных звеньев этих трубопроводов осуществлен также с применением трехкулачковой резиновой шпонки. В настоящее время на Жинвальском гидроэнергетическом комплексе ведется строительство железобетонного сборного трубопровода общей длиной около 18 км, диаметром 3,3 м и максимальным напором 40 м; раструбный стык выполнен с использованием в качестве уплотнения круглого резинового жгута. Аналогичные трубопроводы диаметром 4 м с напором до 80 м будут применены для дюкеров комплекса Зеленчукских ГЭС.
Перепады и быстротоки
Сопряжение отдельных участков канала, лежащих на различных уровнях, а также каналов и водохранилищ осуществляется перепадами и быстротоками. В ряде случаев целесообразно использовать энергию потока на таких участках для выработки электроэнергии, однако при строительстве ГЭС часто возникает необходимость дублировать ее холостым сбросом для обеспечения надежности подачи воды по каналу, а в отдельных случаях и в связи с очередностью строительства сооружений.
При крутых склонах и небольших расходах для сопряжения сооружений чаще применяются многоступенчатые перепады, при больших же расходах более целесообразны быстротоки. На пологих склонах перепады устраиваются в виде отдельных ступеней, соединенных между собой каналами. Часто одиночные перепады на каналах используются одновременно для регулирования уровня воды на вышележащем участке канала.
Особый интерес представляют перепады, сопрягающие каналы и наливные водохранилища. Особенностью этих сопряжений является большая глубина сработки водохранилища и, как следствие, большая длина сопрягающих устройств в случае их выполнения в виде перепадов и быстротоков. Наиболее эффективными в данном случае оказываются консольные перепады, которые могут быть построены практически во всех случаях. Эксплуатация консольных перепадов в качестве паводковых водосбросов показала их высокую надежность.
При проектировании и строительстве длинных быстротоков следует обращать внимание на устойчивость движения потока в лотке. Для этого поперечное сечение лотка быстротока должно быть проверено на возможность образования при движении потока так называемых катящихся волн, уменьшающих пропускную способность канала и ухудшающих работу водобойного колодца быстротока. Исследованиями катящихся волн на ряде построенных сооружений установлено, что на быстротоках большой длины для обеспечения устойчивого режима течения потока следует применять треугольную форму поперечного сечения лотка.
Прочие сооружения на каналах
При прохождении канала в особо сложных инженерно-геологических условиях, а также в случаях, когда разрушение канала может нанести серьезный ущерб народному хозяйству, строятся специальные сооружения, призванные прекратить поступление воды при разрушении канала. Наиболее распространенными сооружениями, позволяющими одновременно решить ряд эксплуатационных вопросов, являются перегораживающие сооружения или шлюзы-регуляторы, оснащенные необходимым затворным оборудованием. В отдельных случаях с перегораживающими сооружениями совмещаются водовыпуски для опорожнения верхнего или нижнего участка канала, что дает возможность провести ремонт отдельных участков без опорожнения всего канала.
Кроме того, на каналах могут устраиваться водовыпуски, трубы- ливнепроводы, мосты, системы водоотвода поверхностных вод и другие сооружения.
