Канал (в гидротехнике)

Канал (от лат. canalis ‒ труба, жёлоб) в гидротехнике, искусственное русло (водовод) правильной формы с безнапорным движением воды, устроенное в грунте. К. сооружают в открытой выемке или в насыпи (при пересечении балок, оврагов и др.), иногда ‒ в полувыемке-полунасыпи (К. на косогоре). По назначению различают К.: судоходные (искусственные водные пути), энергетические (деривационные), оросительные (ирригационные), обводнительные, осушительные, водопроводные, лесосплавные, рыбоводные, комплексного назначения.

Судоходные К. бывают: соединительные (рис. 1) между судоходными реками, озёрами и морями [напр., Волго-Донской судоходный канал имени В. И. Ленина, Канал имени Москвы (см. Москвы имени канал), Днепровско-Бугский канал, Панамский канал]; обходные (обводные) К., устраиваемые в целях улучшения условий судоходства, в обход порожистых участков рек, бурных участков больших озёр и морей (Приладожские каналы, Онежский К., Береговой Мексиканский К. и др.); спрямляющие К. ‒ для уменьшения извилистости судового хода и сокращения длины водного пути (Хорошевский К. на р. Москве, К. на р. Дон ниже Цимлянской ГЭС и др.); подходные К. ‒ для обеспечения подхода из моря, озера или реки к крупным городам, внутренним портам, промышленным предприятиям (Ленинградский и Астраханский морские К., Манчестерский К. и др.). Судоходные К. разделяются также на открытые и шлюзованные. Первые устраивают при соединении водных путей, имеющих практически одинаковые уровни воды, вторые ‒ при разных уровнях, а также в случаях, когда трасса К. пересекает высокий водораздел. Шлюзованные К. обычно состоят из нескольких участков, располагаемых на разных уровнях, ‒ бьефов, между которыми устраивают шлюзы или судоподъёмники. Обходные и подходные К., как правило, делаются открытыми, соединительные ‒ шлюзованными. Вода в судоходные (шлюзованные) К. подаётся самотёком (самотёчные К.) или накачивается насосными станциями (машинные К.). Судоходные К. характеризуются значительной протяжённостью (например, длина берегового К. в США от Нью-Йорка до полуострова Флорида около 1,8 тыс. км, Беломорско-Балтийского канала ‒ 227 км, Днепровско-Бугского канала ‒ 196 км, морские К., например Суэцкий канал ‒ 171 км, Панамский канал ‒ 81,6 км), большими размерами поперечного сечения (ширина по зеркалу Суэцкого К. 120‒150 м, глубина 12‒13 м).

Энергетические (деривационные) К. подводят воду из реки, водохранилища, озера к гидроэлектрической станции или отводят от неё воду, прошедшую через турбины (рис. 2). Они характеризуются сравнительно небольшой длиной: подводящие К. обычно не превышают 5‒10 км (максимум 30 км), отводящие ‒ редко достигают нескольких км. Расход воды (пропускная способность) энергетических К. бывает различным, превышая в отдельных случаях 1000 м3/сек (например, пропускная способность деривационного К. при ГЭС Монтелимар во Франции 1860 м3/'сек). В СССР деривационные К. имеются на ГЭС: Земо-Авчальской, Рионской, Кондоложской, на Севанском каскаде и др.

Оросительные (ирригационные) К., предназначенные для подачи воды к орошаемым земельным массивам, обычно образуют систему К. магистральных, распределительных, собственно оросительных (оросителей) и водосбросных (см. Орошение). В оросительные К. вода поступает самотёком или подаётся насосами. В крупных ирригационных системах длина магистральных К. нередко достигает нескольких сот км (Каракумский канал, 1-я очередь, до г. Ашхабада, ‒ свыше 800 км, Северо-Крымский канал ‒ более 400 км. Большой Ферганский канал ‒ около 300 км). Расходы воды в головной части этих К, ‒ 250‒500 м3/сек.

Обводнительные К. подают воду для нужд сельского хозяйства (главным образом животноводства) в безводные и засушливые районы (например, обводнительные К. в низовьях Волги, К. Терско-Кумской обводнительной системы). Поскольку при обводнении на засушливых землях обычно образуются мелкие (оазисного характера) орошаемые участки, обводнительные К. часто являются одновременно и оросительными (например, Невинномысский, Кубань-Калаусский и др. К.).

Осушительные К. собирают воду, поступающую из осушительной или дренажной сети (на заболоченной или излишне увлажнённой территории), и отводят её в водоприёмник (реку, озеро, море) самотёком или с помощью насосных станций (см. Мелиорация). Осушительные К. трассируются, как правило, по наиболее низким отметкам осушаемой территории (по тальвегам).

Водопроводные К. служат для подачи воды от источника водоснабжения к месту её потребления ‒ промышленному району, городу, посёлку и т.п. К большим водопроводным К. в СССР относятся каналы: Иртыш ‒ Караганда общей протяжённостью около 460 км и пропускной способностью в головной части 75 м3/сек, Северский Донец ‒ Донбасс ‒ около 130 км, при головном расходе воды 25 м3/сек. Условия эксплуатации и санитарные требования иногда вызывают необходимость делать водопроводные К. закрытыми (например, водопроводный К. длина около 30 км. подающий воду из Учинского водохранилища к Москве).

Лесосплавные К. устраиваются для сплава леса молем или плотами обычно от мест его заготовки до лесосплавной реки или лесопильного завода (см. Лесосплав). Лесосплавные К. сооружаются также в районах гидроузлов для направления лесосплава в обход гидротехнических сооружений.

Рыбоводные К. служат для подачи воды на искусственные нерестилища, для соединения с рекой отдельных изолированных водоёмов (озёр), в которых водится рыба, для опреснения лиманов (например, в низовьях р. Кубани) и т.п.

Комплексные К. сооружают для решения одновременно нескольких водохозяйственных задач. Особенно большое развитие эти К. получили в СССР в связи с комплексным использованием речных водных ресурсов. Например, К. имени Москвы осуществляет подачу воды для судоходства, водоснабжения и обводнения г. Москвы; Волго-Донской К. имени В. И. Ленина (вместе с Цимлянской ГЭС) ‒ судоходно-ирригационно-обводнительный и энергетический комплекс; К. Иртыш ‒ Караганда, кроме основной задачи ‒ водоснабжения, решает и вопросы орошения земель в Центральном Казахстане.

Формы поперечного сечения К. (рис. 3) зависят от его назначения, строительных свойств грунтов, условии производства земляных работ и др. Наиболее распространённые формы сечений К., сооружаемых в мягких грунтах, ‒ трапецеидальная и полигональная. Последняя обычно применяется при сооружении больших судоходных К. Прямоугольное сечение целесообразно при проведении К. в скальных выемках. Иногда (например, при прохождении трассы К. в пределах населённых пунктов, на косогорных участках и т.д.) прямоугольное сечение в мягких грунтах обеспечивается сооружением вертикальных подпорных стенок.

Размеры сечения К. определяются гидравлическим расчётом по заданному расходу воды и допустимым для условий данного К. скоростям течения, а для судоходных и лесосплавных К., кроме того, ‒ габаритами пропускаемых судов и плотов. Отношение площади живого сечения судоходных К. к площади миделева сечения расчётного судна должно быть не менее 4 для К. на водных путях 1-й категории; 3,5 (2-й категории); 3 (3-й и 4-й категорий); при меньших значениях этого отношения существенно возрастает сопротивление движению судна.

Уклоны (заложения) откосов К. устанавливают в зависимости от характера грунтов. При большой глубине выемок, а также в сложных геологических условиях устойчивость откосов проверяется расчётом.

Скорости течения воды, допустимые в К., имеют предельные значения: максимальные, исключающие возможность размыва ложа К., и минимальные, обеспечивающие незаносимость (незаиляемость) ложа К. и не допускающие его зарастания растительностью. Так, например, безопасными в отношении размыва для К., проведённых в мягких грунтах (пески, суглинки), при глубине воды более 3 м являются скорости в пределах 0,4‒1,5 м/сек; в твёрдых породах (мергели, песчаники) ‒ 3,1‒5,6 м/сек. Для определения незаиляющих скоростей воды пользуются формулами, основанными на принципе т. н. наносотранспортирующей способности потока. Минимальные скорости в К., при которых не должно быть зарастания их ложа: 0,3 м/сек ‒ для малых К. и 0,5‒ для больших К.

Облицовки ложа (одежды) К. устраиваются для предохранения его от размыва течением и волнами, сокращения потерь воды на фильтрацию в грунт и уменьшения шероховатости дна и откосов (для увеличения пропускной способности К.). Облицовки, служащие только для защиты откосов К. от размыва, выполняются в виде каменного мощения, каменной укладки и наброски, а также в виде бетонных и железобетонных плит. Такие облицовки применяются обычно на судоходных К. На оросительных, обводнительных и осушительных К. используются иногда дерновые фашинно-хворостяные, плетнёвые и др. крепления. Противофильтрационные облицовки (экраны) выполняются обычно из глин, суглинков и из хорошо разложившегося торфа. Для предохранения экранов от механических повреждений и температурных влияний их покрывают защитным слоем из песчаного или гравелистого грунта. Бетонные, железобетонные (рис. 4) и асфальтобетонные облицовки наиболее универсальны: они надёжно защищают ложе К. от размыва, обеспечивают его водонепроницаемость, увеличивают пропускную способность. Вместе с тем они позволяют полностью механизировать строительные работы. Для борьбы с фильтрацией на К., кроме устройства облицовок (экранов), применяют также кольматаж, механическое уплотнение грунтов, плёнки из синтетических материалов и др. способы.

Сооружения на К. Кроме специальных сооружений, связанных с эксплуатацией К. (шлюзы на судоходных К., насосные станции на машинных К., водоспуски и др.), на трассе всех К. возводят также большое количество гидротехнических сооружений различного назначения. К ним относятся сооружения в местах пересечений К. с водотоками (трубы, дюкеры, акведуки), с путями сообщений (виадуки, туннели, мосты, паромные переправы и др.) и в местах резкого перелома рельефа местности (перепады, быстротоки).

Историческая справка. Задолго до н. э. в древних государствах Юго-Востока и Востока с развитием земледелия появилась необходимость в устройстве оросительных и обводнительных К. Известно, например, орошение в долине р. Нил в Египте за 4400 лет до н. э. и в Китае (на р. Янцзы) в 3-м тыс. до н. э. Строительство судоходных К. также началось ещё в древности (например, К. от Нила к Красному морю существовал в 6 в. до н. э.; китайский Великий канал). В средние века судоходные К. сооружались главным образом в Голландии, Франции, Англии. Большое значение для строительства судоходных К. имело изобретение в 15 в. в Голландии камерного шлюза. В 16‒17 вв. развитие торговли и мануфактурного производства потребовало улучшения путей сообщения и устройства судоходных К. В 17‒18 вв. и 1-й половине 19 в. водные пути были основными, самыми экономичными транспортными артериями. К числу наиболее значительных сооружений этого периода относятся судоходные К. во Франции (Сена ‒ Луара, Лангедокский, Центральный и др.), в Германии (Финов, Одер ‒ Шпре, Одер ‒ Висла, Эльба ‒ Хафель и др.), в Англии (Бриджуотер, Каледонский и др.). В связи с широким развитием мировой торговли, а также в стратегических целях во 2-й половине 19 в. и в 20 в. сооружаются морские К. ‒ Суэцкий, Кильский, Панамский. На территории СССР К. для целей орошения строились ещё в 8‒6 вв. до н. э. в древних государствах Хорезме и Урарту. Известны оросительные К., построенные в 12‒13 вв. н. э. в Грузии (Алазанский, Самгорский). В дальнейшем строительство К. развивалось в основном в целях улучшения речного судоходства (например, судоходный К. на р. Сухоне, 13 в.), для гидроэнергетических целей (подвод воды к водяным мельницам), иногда для осушения земель. Интенсивное строительство К. развернулось при Петре I. Ивановским К. была соединена р. Ока с верховьями р. Дона, построены Вышневолоцкая система, соединившая Волгу с р. Метой и Балтийским морем, Приладожские К. и позднее ‒ судоходные соединения: Мариинское, Тихвинское, Огинское, Северо-Двинское и др. Новый этап в строительстве судоходных, энергетических, ирригационных и др. К. на территории СССР начался после Великой Октябрьской социалистической революции. Уже в 1918 проводились изыскания для сооружения Волго-Донского К. В восстановительный период и особенно в годы довоенных пятилеток в СССР широко развернулось строительство К., имеющих комплексное народно-хозяйственное значение. Большую роль в строительстве энергетических К. сыграл план ГОЭЛРО, в соответствии с которым был построен ряд гидроэлектростанций (например, Земо-Авчальская и Кондопожская) с деривационными К. Крупнейшим ирригационным комплексом довоенных пятилеток является Большой Ферганский К. В 30-е гг. сооружены К. Беломорско-Балтийский и имени Москвы, ряд оросительных К. в Средней Азии и на Кавказе. После Великой Отечественной войны 1941‒1945 строительство К. осуществлялось в ещё более широких масштабах. Были построены и вступили в строй К.: Волго-Донской имени В. И. Ленина, Каракумский (до Ашхабада), Южный Голодностепский, Донской магистральный, Северо-Крымский, Северский Донец ‒ Донбасс, Днепр ‒ Кривой Рог, Аму-Бухарский и многие др.

Лит.: Угинчус А. А., Каналы и сооружения на них, М., 1953; Аскоченский А. Н., Орошение и обводнение в СССР, М., 1967; Гришин М. М., Гидротехнические сооружения, М., 1968.

П. Н. Кораблинов.