Типы судоходных каналов и формы их поперечного сечения

РАЗДЕЛ 10

СУДОХОДНЫЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ.

Тема 1. Каналы и их классификация.

Каналами называют открытые искусственные русла различной формы устроенные в грунте с безнапорным движением воды. По хозяйственному назначению каналы подразделяются на: оросительные, осушительные, энергетические, судоходные, ирригационные, водопроводные, рыбоводные, лесостепные и комплексные. Большинство каналов используется комплексно. Назначение канала отражается на его пропускной способности, размерах, уклоне, поперечном сечении, скоростях течения и глубине наполнения.

Судоходные каналы

Типы судоходных каналов и формы их поперечного сечения

Судоходный канал – искусственный водный путь, предназначенный дня соединения отдельных водных объектов (рек, озер, морей и океанов). Кроме транспортных связей каналы могут использоваться для водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий, орошения земель и решения других водохозяйственных целей.

Судоходные каналы классифицируются по следующим основным признакам:

По назначению: обходные и соединительные.

Обходные каналы устраивают в обход препятствий, опасных для судоходства на отдельных участках естественного водного пути (каменистое русло реки, пороги, водопады, волновой режим озер, морей и океанов и т.п.). Примерами таких каналов могут служить канал в долине р. Выг по трассе Беломорско-Балтийского канала, Уэллендский канал в Канаде между озерами Эри и Онтарио в обход Ниагарского водопада, Ладожский канал, который использовался для судоходства в периоды штормов и другие. К обходным каналам относятся также каналы, проложенные к различным гидротехническим сооружениям или в обход напорных ГТС, по мелководным участкам рек и водоемов. Они являются подходными каналами к шлюзам и судоподъемникам, пристаням и портам, промышленным предприятиям, а также для входа в устья рек и водоемов.

Соединительные каналы обеспечивают воднотранспортные связи между отдельными водными объектами и позволяют существенно сократить протяженность водного пути. Так, например, Панамский канал обеспечивает движение судов по кратчайшему пути между Атлантическим и Тихим океанами, а Беломорско-Балтийский – между Белым и Балтийским морями. Большинство построенных каналов в России и за рубежом – соединительные.

По техническому устройству: открытые и шлюзованные каналы.

Открытые каналы не имеют в своем составе напорных сооружений и соединяют водные объекты примерно с одинаковыми отметками уровней воды. Примерами таких каналов являются: соединительный Суэцкий (Средиземное и Красное моря), обходной Ладожский и другие. К достоинствам открытых каналов относятся: хорошая обеспеченность их питания водой и свободное движение судов, а к недостаткам – большие объемы земляных работ, связанные с рельефом местности и необходимостью обеспечения гарантированных судоходных глубин, а также наличие течения при изменяющихся отметках уровней воды в соединяемых водоемах.

Шлюзованные каналы имеют в своем составе различные напорные гидротехнические сооружения - плотины, шлюзы, насосные станции, дамбы, гидроэлектростанции, водоспуски, и представляют собой зарегулированные участки водного пути. Концы таких каналов, как правило, выходят в водные объекты с различными отметками уровней воды, а трасса каналов может проходить через один или несколько водоразделов между водосборными бассейнами рек, озер и морей. Шлюзованные каналы могут быть обходными (Белозерский, Уэллендский) и соединительными (Волго-Балтийский, Панамский и др.), односклонными (Уэллендский, Сайменский) и двухсклонными (Волго-Донской, Кильский и многие другие каналы России и мира). В шлюзованных каналах обеспечиваются зарегулированные водные режимы бьефов и гарантированные судоходные глубины, отсутствуют течения и меньшая их заносимость по сравнению с открытыми каналами. К основным недостаткам таких каналов можно отнести наличие дорогостоящих напорных гидротехнических сооружений и необходимость шлюзования при проходе судов, а также затруднения с питанием каналов водой, в особенности на водораздельных участках.

По классу проходящих судов: морские, озерные и речные.

Морские каналы предназначены для плавания по ним морских судов и имеют большие размеры по ширине и глубине. Морскими каналами являются Суэцкий, Панамский, Петербургский, Вентспилский и др. По ним могут плавать и суда смешанного (река-море) плавания.

Речные и озерные каналы также позволяют плавание судов типа “река-море”, но они имеют меньшие размеры по сравнению с морскими каналами. Примером озерного канала может служить Уэллендский канал, а из речных, кроме уже упомянутых, – Днепро-Бугский, канал им. Москвы, Средне-Германский и др.

По способу питания водой: каналы с естественным и искусственным питанием.

Каналы с естественным питанием обеспечиваются водой за счет естественного стока в бассейн канала (Беломорско-Балтийский, Волго-Балтийский, Сайменский, Кильский и др.).

Каналы с искусственным питание обеспечиваются водой частично за счет естественного стока, а также посредством насосных станций, перекачивающих воду из нижних бьефов в верхние до водораздельного бьефа (Волго-Донской, им. Москвы, Средне-Германский и др.).

По условиям прокладки и расположения: по дну морей озер, водохранилищ и в руслах рек, по суше в материке.

Каналы, прокладываемые по дну водных объектов, как правило, являются подходными каналами к пристаням, портам и другим объектам (Петербургский, Архангельский, Волго-Каспийский и др.). Они имеют неполное поперечное сечение: их нижняя часть является прорезью (выемкой) на дне водоема, а верхняя часть находится в водоеме.

Каналы, прокладываемые по суше материка, выполняются в выемке, полувыемке - полунасыпи и реже в насыпи; они имеют полное поперечное сечение.

По условиям эксплуатации: с односторонним и двухсторонним режимом движения судов. Каналы с односторонним движением имеют меньшую ширину судового хода, чем каналы с двухсторонним движением.

По длительности навигации различаютканалы круглогодичного и сезонного плавания судов. Каналы с сезонными условиями плавания расположены в климатических зонах с длительными периодами отрицательных температур (каналы Северной Америки, северо-западной и центральной части России и др.).

По использованию: судоходные каналы и каналы комплексного назначения.

Каналы комплексного назначения, кроме судоходства, используются также и для решения других водохозяйственных целей, таких как, орошение земель (Волго-Донской, Каракумский), водоснабжение и обводнение малых рек (канал им. Москвы), гидроэнергетика (Волго-Балтийский, Беломорско-Балтийский и др.) и т.п.

По интенсивности судоходства: каналы делятся на классы.

Морские каналы подразделяются на три класса: 1 – при суточном судообороте свыше 5 судов; 2 – от 2 до 5 судов; 3 – менее 2 судов. Речные каналы России подразделяются на семь классов в зависимости от гарантированной глубины судового хода (см. п. 1.2 гл. 1). Речные каналы Западной Европы делятся на шесть классов.

При проектировании судоходных каналов особое внимание уделяется выбору трассы, района соединения водных объектов и отметки водораздельного бьефа.

Трасса – ось канала на плане местности, состоящая из прямолинейных и криволинейных участков. Ее намечают по кратчайшему расстоянию между водоемами и стремятся проложить по наиболее низким отметкам местности во избежание больших объемов земляных работ. Необходимо также учитывать, что стоимость каналов зависит от рода разрабатываемых грунтов. Устройство каналов в нескальных грунтах обходится дешевле, чем в скальных.

При выборе района соединения предпочтение отдают экономически развитым районам с целью привлечения дополнительных грузопотоков на водный транспорт. Водораздельный бьеф должен быть обеспечен водой и иметь наименьшую отметку. При небольших отметках водораздела уменьшается общее количество напорных гидротехнических сооружений, а следовательно, и стоимость строительства судоходного канала.

При проектировании судоходных каналов необходимо также учитывать возможность комплексного использования водных ресурсов с целью удовлетворения различных нужд водопотребителей.

Обычно намечают несколько вариантов трассы канала и выполняют их сравнение по строительной стоимости, эксплуатационным расходам и себестоимости перевозок грузов

Поперечное сечение судоходного канала, проложенного по суше материка, может иметь следующие основные формы: прямоугольную, трапециевидную, ложбинообразную и полигональную (см. рис. 11.1).

Каналы прямоугольного или близкого к нему сечения (рис. 11.1, a) возводятся, в основном, в скальных грунтах и иногда в нескальных грунтах при прохождении трассы канала через крупные населенные пункты. Они требуют меньшей ширины, удобны по условиям эксплуатации судов, однако трудоемки в исполнении и имеют высокую стоимость.

Каналы трапециевидного сечения (рис. 11.1, б) чаще всего устраивают в нескальных грунтах, они являются простыми по условиям изготовления, но подвержены размыву от воздействия судовых волн и движителей судов. Их рекомендуется применять на каналах с малоинтенсивным движением судов.

Ложбинообразная форма поперечного сечения (рис. 11.1, в) является более устойчивой от размывов, однако сложна по устройству. Каналы такой формы строятся редко, могут применяться только в качестве обходных при возведении отдельных гидроузлов и имеют сравнительно небольшую длину.

Полигональное сечение (рис. 11.1, г) более устойчиво от размывов по сравнению с трапециевидной формой, оно устраивается в нескальных грунтах и получило широкое применение при строительстве каналов с интенсивным двухсторонним движением судов.

Рис. 11.1. формы поперечного сечения каналов:

а) прямоугольная; б) трапециевидная; в) ложбинообразная;

г) полигональная

Формы поперченного сечения каналов, представленные на рис. 11.1, приведены для одинаковых габаритов судового хода: ширины по дну (В) и глубины воды (S_k). Размеры поперечного сечения каналов определяются по условиям безопасности плавания судов и будут рассмотрены ниже на примере речного судоходного канала полигональной формы.

Классификация каналов

По назначению каналы могут быть энерге­тическими, водопррводными, ирригационными, судоходными, лесо­сплавными, обводнительными, осушительными, рыбоводными и комплексного назначения (например, для судоходства и водоснаб­жения).

По способу подачи воды каналы делят на самотечные и каналы с механическим подъемом воды (машинные) (рис. 26.1). В самотечных

Рис. 26.1 План и продольный профиль, участка машинного канала: 1 -водохранилище; 2 - подводящий канал; 3 - аванкамера; 4 - насосная станция; 5 - на­порный трубопровод; 6 - напорный бассейн; 7 - отводящий канал; 8 - железнодорожный мост; 9 - труба; 10 - акведук; 11 - дюкер; 12 - сбросной канал; 13 - шлюз-регулятор; 14 и 15 - каналы; 16 - водосбросные отверстия в акведуке

каналах вода движется по трассе под действием силы тя­жести. В тех случаях, когда уровень воды в месте ее забора из источника (водохранилища, реки) ниже, чем требуемые по усло­виям «командования» уровни воды в канале, по трассе канала устраивают насосные станции, осуществляющие подъем воды.

Ведется интенсивное строительство крупных каналов и водных трактов. Построены судоходные каналы Беломоро-Балтийский (протяженностью 227 км), Волго-Донской им. В. И. Ленина (101 км), судоходно-водопроводный канал им. Москвы (128 км), водопроводные каналы - Северный До­нец - Донбасс (129 км), Иртыш - Караганда (490 км), ирригаци­оные - Большой Ферганский канал (350 км), Донской магист­ральный (112 км), комплексные каналы - Каракумский (более 800 км), Терско-Кумский (150 км), Северо-Крымский (402 км) и др. Эти каналы пропускают расходы воды от 20-75 (водопро­водные) до 100-500 м³/с (ирригационные и комплексные); деривационный канал Нарвской ГЭС подает расход 700 м³/с.