Канал (гідротехніка)

Суецький канал з висоти супутника

Кана́л (водовід) (лат. canalis — труба, жолоб) — гідротехнічна споруда у вигляді відкритого штучного русла з безнапірним рухом води. Канал може проходити у відкритій виїмці або в насипах (в дамбах), іноді в напіввиїмці-напівнасипу. Влаштовується зазвичай в ґрунті та створюється для дренажу, іригації, водопостачання, навігації та інших цілей.

Історичні дані

Канал фараонів

Великий канал Китаю у Сучжоу

Найстарішими з відомих каналів були зрошувальні канали, побудовані в Месопотамії близько 4000 років до н.е., на територіях, де зараз знаходяться сучасний Ірак і Сирія. Індською цивілізацією на територіях сучасних Пакистану і північної частини Індії, (бл. 2600 до н.е.) були споруджені складні іригаційні системи і систем зберігання водних ресурсів, що включали водосховища, побудовані на священній горі Гірнар в 3000 роках до нашої ери. Тоді ж, принаймні за правління фараона Пепі І (правив у приблизно у 2332-2283 роках до н.е.), почали зводити іригаційні системи і в Стародавньому Єгипті, так що до рубежу ΙΙΙ і ΙΙ тисячоліть в обох країнах була створена широка мережа зрошувальних каналів, турбота про яких лягла на плечі верховної влади. Не виключено, що в Стародавньому Єгипті з'явився і перший у світі судноплавний канал (Канал фараонів), який з'єднав Червоне море з одним з рукавів дельти Нілу, що впадає у Середземне море, завдяки цьому шляху кораблі могли подорожувати з одного моря в інше. Будівництво даної водної артерії було розпочато близько 600 року до н. е. і тривало до 518 року до н. е., поки країну не захопили перси.

У стародавньому Китаї великі канали для річкового транспорту були створені ще у період Воюючих царств (481-221 до н.е.), і найдовшим у цей період був Hong Gou (Канал Диких гусей), який, згідно з давнім істориком Сима Цянь пов'язаний із стародавніми державами Сонґ, Чжан, Чень, Цай, Цао і Вей. Згодом довшим каналом став Великий канал Китаю, що і досі є найдовшим каналом у світі. Він має 1794 кілометрів у довжину і був побудований для забезпечення переміщення Імператора Яна між Пекіном і Ханчжоу. Проект було розпочато у 605 р. і було завершено у 609, хоча велика частина проведеної роботи з приєднання старіших каналів до основної частини каналу відомі принаймні з 486 р. до н. е. Навіть у найвужчому місці у зоні міст канал зрідка буває вужчим за 30 метрів.

Грецькі інженери були першими, хто використав шлюзи, за допомогою яких вони регулювали витрату води в Стародавньому Суецькому каналі ще у 3 столітті до н.е.

Першим штучним каналом в Європі вважається Фосса Кароліна (Карлсграбен), що споруджувався в кінці 8-го століття під особистим контролем Карла І Великого. Затіяне в 793 р. будівництво каналу між річками Швабський Рецат (притока Майна, що впадає в Рейн) і Альтмюль (ліва притока Дунаю), яким з'єдналися би Рейн і Дунай, Північне і Чорне моря, залишилося незавершеним. У середні віки, водний транспорт був дешевшим і швидшим, ніж сухопутний. Через низьку якість доріг великі вантажопотоки переносились на водний транспорт. Вдалішим проектом був такий канал, як Навільо Ґранде в Ломбардії побудований між 1127 і 1257 роками. Він сполучив річку Тічино поблизу Торнавенто (23 км на південь від Сесто-Календе) до док-станції Дарсена (Darsena), в Мілані. Перепад висот становить 34 м на 49,9 км довжини каналу. Ширина каналу коливається від 22 м до 50 м, знизившись до 15 м у Мілані. Витрата води в каналі становить 63 м³ / с.

Пізніше були побудовані канали в Голландії і Фландрії для осушення польдерів і забезпечення водного транспортування вантажів.

Класифікація каналів за призначенням

Панамський канал — судноплавний канал, що сполучає Панамську затоку Тихого океану з Карибським морем і Атлантичним океаном

Вигляд з повітря на початок Кільського каналу у Брунсбюттелі

За призначенням розрізняють канали: енергетичні (дериваційні), судноплавні, зрошувальні (іригаційні), обводнювальні, водопровідні, осушувальні, лісосплавні, рибоводні, комплексного призначення.

Енергетичні (дериваційні) канали

Енергетичні (дериваційні) канали підводять воду з ріки, водосховища, озера до гідроелектростанції або відводять від неї відпрацьовану воду. Енергетичні канали характеризуються порівняно невеликою довжиною (зазвичай не перевищує 5-10 км), великою пропускною спроможністю, застосуванням облицювань ложа.

Найбільші розміри (довжина 24,5 км, пропускна здатність 1500 м³/c) має підвідний канал до ГЕС Боарнуа на річці Святого Лаврентія в Канаді, найбільшу пропускну спроможність (1860 м³/c) — канал при ГЕС у Монтелімар (Франція).

Судноплавні канали

Судноплавні канали (штучні водні шляхи) поділяються на відкриті та шлюзовані. Перші з них сполучають водні шляхи з однаковим рівнем води, другі — водойми з різними рівнями. З відкритих каналів можна назвати великі Суецький і Коринфський, проте переважна більшість подібних споруд — це споруди другого типу: їх шлюзові системи дозволяють суднам підніматися з низьких ділянок каналу на вищі, і навпаки. Найзнаменитіші шлюзовані канали — Панамський і Кільський.

Судноплавні канали за основними функціями бувають:

• сполучні канали між судноплавними річками і морями (Суецький, побудований у 1869, Панамський (1914) канали та ін.);
• обхідні (обвідні) канали, що проходять в обхід важкопрохідних ділянок великих відкритих водойм, наприклад, озер і морів (канали Онезький, Приладозький, Береговий Мексиканський та ін.), чи в обхід ділянок річок з порогами;
• випрямні канали — для зменшення звивистості річки та скорочення довжини водного шляху;
• підхідні канали — судноплавні підходи з моря, озера або річки до населених пунктів, внутрішніх портів, промислових підприємств, сільськогосподарських районів (Морський канал у Санкт-Петербурзі, Манчестерський канал та ін.).

Обхідні, випрямні і підхідні канали будують зазвичай відкритими (нешлюзованими). Майже всі сполучні канали — шлюзовані, через значну, різницю рівнів у річках (морях), що сполучаються, а також через необхідність зменшення обсягів земляних робіт при проведенні каналів через вододіли. Вода в шлюзовані канали подається самопливом (самопливні канали) або напомповується насосними станціями (машинні канали).

Судноплавні канали характеризуються значною протяжністю (наприклад, довжина берегового каналу в США від Нью-Йорка до півострова Флорида близько 1,8 тис. км, Біломорсько-Балтійського каналу — 227 км, Дніпровсько-Бузького каналу — 196 км, Суецького каналу — 171 км, Панамського каналу — 81,6 км) та великими розмірами поперечного перерізу (ширина по дзеркалу Суецького каналу 120-150 м, глибина 12-13 м).

Канали істотно поліпшили зв'язок між океанами, і з моменту їхнього відкриття відпала необхідність плисти довкола материків, щоб потрапити із Атлантики до Тихого океану чи із Середземномор'я до Індійського океану.

Ділянка Північно-Кримського каналу, каналу іригаційного призначення

Іригаційні (зрошувальні) канали

Іригаційні канали переносять воду для зрошення з рік, озер чи свердловин, й влаштовані таким чином, щоб заданий рівень води підтримувався на всій довжині каналу. Іригаційні канали зазвичай утворюються системою каналів:

• магістральних;
• розподільних;
• власне зрошувальних (зрошувачів);
• водоскидних.

У зрошувальні канали вода надходить самопливом або подається насосами. У великих іригаційних системах довжина магістральних каналів нерідко досягає декількох сотень кілометрів (Каракумський канал, 1-а черга, до м. Ашхабада, — понад 800 км, Північно-Кримський канал — понад 400 км, Великий Ферганський канал — близько 300 км). Витрата води в магістральній частині таких каналів становить до 250-500 м³/с.

Обводнювальні канали

Обводнювальні канали подають воду для сільськогосподарських потреб (головним чином тваринництва) у безводні і посушливі райони; збільшують потоки місцевих невеликих річок, покращують їх санітарний стан (напр., у містах). Оскільки при обводненні на посушливих землях зазвичай утворюються дрібні (оазисного характеру) зрошувані ділянки, обводнювальні канали часто є одночасно і зрошувальними (див., наприклад, зрошувально-обводнювальний канал Іртиш — Караганда протяжністю близько 460 км і пропускною спроможністю в головній частині 75 м³/с).

Водопровідний канал Сіверський Донець — Донбас

Водопровідні канали

Водопровідні канали служать для подачі води від джерела водопостачання до місця її використання — промислового району, міста, селища і т.п. До великих водопровідних каналів відноситься канал Сіверський Донець — Донбас, збудований у 1958 році (у 1979 році реконструйований і розширений) для забезпечення промисловості Донецької області. Це канал має довжину близько 130 км та витрату води у головній частині 25-43 м³/с. Умови експлуатації і санітарні вимоги інколи викликають необхідність робити водопровідні канали закритими (наприклад, водопровідний канал довжиною близько 30 км подає воду з Учинського водосховища до Москви).

Осушувальні канали

Осушувальні канали призначаються для збору води на заболоченій території і відведення її у водоприймач (річку, озеро, море). Вони складаються з відкритих магістральних каналів різних порядків, що прокладаються найнижчими місцях осушуваної площі, а при осушенні дренажем — відкритих або закритих колекторів, що впадають в магістральний канал і рідше — у водоприймач. Стінки і дно каналів укріплюють плитами з пористого бетону, дерном, хмизом, що покращує їх роботу і збільшує довговічність.

Лісосплавні канали

Лісосплавні канали служать для сплаву лісу молевим або плотовим способами від місць заготівлі до лісосплавних річки чи лісопильного заводу з метою транспортування деревини в обхід гідротехнічних споруд.

Рибоводні канали

Рибоводні канали споруджують для:

• подачі води на нерестовища;
• для пропуску риб в обхід гідротехнічних споруд:
• сполучення з річкою окремих ізольованих водойм, у яких розводиться риба, і т. д.

Конструктивні особливості каналів

Форма та розміри перетину каналу

У гідравлічному відношенні найвигіднішою є напівкругла форма каналу, але через труднощі виконання і збереження в реальних умовах криволінійних обрисів напівкруглу і параболічну форми використовують рідше.

Прямокутний перетин використовується при проведенні каналів у скельних виїмках, а в м'яких ґрунтах — в особливих випадках (на території населених пунктів, на косогорах і т. д.) шляхом зведення підпірних стінок. У поперечному перерізі канали мають переважно прямокутну, трикутну і трапецоїдну форми. Напівкругла форма зазвичай застосовується при зведенні великих іригаційних і судноплавних каналів. При необхідності трасування каналу на косогорах в кожному конкретному випадку приймаються відповідні конструктивні рішення, що забезпечують нормальну роботу споруди.

Розміри перетину каналу визначаються гідравлічним розрахунком по заданій витраті води і допустимим для даного ґрунту швидкостях течії; судноплавні і лісосплавні канали, крім того, за габаритами суден і плотів, що повинні пропускатись.

Швидкості потоку у каналі

При великій глибині виїмок, а також у складних геологічних умовах стійкість укосів перевіряється розрахунком. Для каналів у насипах ухил укосів встановлюється аналогічно, як і для земляних гребель. Максимальні швидкості течії води в каналі встановлюють з таким розрахунком, щоб забезпечити стійкість до розмивання дна і укосів каналу, мінімальні — з умови недопущення замулювання ложа каналу звислими у потоці і рухомими по дну наносами, а також, не допускання його заростання рослинністю.

Гранично малі швидкості течії, при яких не повинно бути заростання ложа каналу рослинністю, — 0,5...0,6 м/с. У судноплавних каналах швидкості течії води за умовами економічності тяги суден зазвичай не перевищують 0,8 м/с; граничною швидкістю для судноплавства вважається 1,8...2,0 м/с.

Крижаний покрив знижує пропускну спроможність каналу внаслідок виникнення додаткового тертя. Поверхневий крига не утворюється при швидкості потоку понад 2...3 м/с, а при швидкостях, що перевищують 1,2...1,5 м/с, лід, якщо він з'явився раніше, розмивається потоком. Щоб запобігти появі в каналі шуги (донного льоду) вживають заходів для мінімізації товщини поверхневого льоду. При неминучій появі значної кількості шуги передбачаються споруди для скидання її з каналу, а сам канал трасується з мінімальною кількістю поворотів.

Міста на воді

Перетин двох каналів (Grachten) в Амстердамі, Нідерланди.

Канал Грибоєдова у Санкт-Петербурзі, Росія.

Міські судноплавні канали настільки глибоко ототожнюються з Венецією, що багато міст на каналах були названі на її честь. Наприклад, Амстердам ще називають "Північною Венецією". Венеція побудована на болотистих островах, з дерев'яними палями для підтримки будівель, так що швидше суходіл створено людьми, а не водні шляхи. Острови мають довгу історію заселення, від 12-го століття Венеція була потужним містом-державою.

Амстердам був побудований таким же чином, із споруд на дерев'яних палях. Став містом близько 1300 року.

Інші міста з великими мережами каналів: Алкмар, Амерсфорт, Брілле, Делфт, Гертогенбос, Дордрехт, Франекер, Гауда, Гарлем, Льовет, Лейден, Снек та Утрехт в Нідерландах, Брюгге та Гент у Фландрії (Бельгія), Бірмінгем (Англія) — місто яке має 35 миль каналів, порівняно з Венецією, яка має 26 миль, Санкт-Петербург (Росія), Гамбург та Берлін в Німеччині, Форт-Лодердейл та Кейп-Корал у США.

Місто мореплавців та торговців (Ліверпуль) (Liverpool Maritime Mercantile City) — об'єкт світової спадщини ЮНЕСКО, що розташований поблизу центру міста Ліверпуль (Англія), де система водних шляхів і доків розвивається і в наш час в основному для житлових потреб та відпочинку.

Особливості проектування каналів

При гідравлічному розрахунку попередньо призначають форму поперечного перерізу каналу, ухил дна і його пропускну спроможність, далі уточнюють гідравлічно найвигіднішу площу поперечного перерізу каналу і перевіряють прийняту пропускну здатність при заданому ухилі дна, при необхідності з'ясовують положення кривої вільної поверхні води в каналі.

Вибір конструктивних елементів

Для захисту ложа каналу від руйнування течією і хвилями, скорочення втрат води на фільтрацію в ґрунт і зменшення шорсткості живого перетину (для збільшення пропускної здатності) каналу застосовуються облицювання. Облицювання, що служать тільки для захисту укосів від розмивання, виконуються у вигляді кам'яного мощення, кам'яного укладання чи насипу, а також бетонних і залізобетонних плит. Такі облицювання застосовуються зазвичай на судноплавних каналах. Бетонне облицювання є найуніверсальнішим, оскільки задовольняє майже всім вимогам, що ставляться до облицювання (забезпечує водонепроникність, захищає від розмивання, збільшує пропускну спроможність). Залізобетонні облицювання мають ті ж якості, але є міцнішими і застосовуються зазвичай при суттєвій деформівності ґрунтів ложа каналу.

При проектуванні каналів у земляному руслі розраховують стійкість укосів на розмив. У більшості випадків потрібно провести розрахунок транспортування завислих і донних наносів по каналах. Крім того, уточнюють гідравлічні параметри каналу з урахуванням крижаного покриву у зимовий період, а також визначають втрати води з каналу на фільтрацію.

При необхідності на каналах передбачають протифільтраційні захисні заходи від розмивної дії хвильового потоку:

• кольматацію стінок і дна каналу глинястими розчинами, добре розкладеним торфом або різними емульсіями;
• екрани з глини або полімерної плівки;
• захисні покриття.

Якщо канал проходить цілком у піщаному насипі (з дном вище поверхні землі) або виїмка для його ложа прорізає сильно проникні ґрунти, де неминучі великі втрати води в ґрунт, то протифільтраційне облицювання (екран) влаштовують по всьому периметру живого перерізу. Товщина глиняних і суглинних екранів зазвичай від 0,5 до 1,0 м, торф'яних — не менше 0,5 м.

Розрахункові формули

При розрахунку каналу слід враховувати його довжину, при цьому розрізняють:

• Канал довгий (рос. длинный канал; англ. long channel; нім. Langkanal) — канал, що має достатньо велику довжину, у зв’язку з чим при гідравлічному розрахунку такого каналу можна нехтувати (на відміну від випадку каналу короткого) місцевими втратами і враховувати тільки втрати напору по довжині.
• Канал короткий (рос. короткий канал; англ. short channel; нім. Kurzkanal m) — канал, який має таку довжину, при якій (на відміну від водозливу з широким порогом і на відміну від каналу довгого) необхідно враховувати як втрати напору по довжині, так і місцеві втрати напору (напр., на вході в канал).

Для визначення середньої швидкості потоку при усталеному рівномірному турбулентному русі в області квадратичного опору для випадку безнапірного потоку використовується формула Шезі:

$V = C \sqrt{R \cdot I}$,

де V — середня швидкість потоку, м/с;

C — коефіцієнт опору тертя по довжині (коефіцієнт Шезі), що є інтегральною характеристикою сил опору;

R — гідравлічний радіус, м;

I — гідравлічний ухил, м.

Одним із часткових випадків формули Шезі при значенні коефіцієнта Шезі рівному $C = \frac {R_h^{\frac{1}{6}}}{n}$ є Рівняння (формула) Манінга — емпірична формула для визначення швидкості безнапірного потоку у відкритому руслі у залежності від форми і розмірів поперечного перерізу та шорсткості стінок русла.

Формула має вигляд:

$V = \frac{1}{n} R_h ^\frac{2}{3} \cdot I ^\frac{1}{2}$,

де: V — середня швидкість, (м/с);

n — безрозмірний коефіцієнт шорсткості (коефіцієнт Гоклера-Манінга);

R_h — гідравлічний радіус, (м);

I — гідравлічний ухил, (м/м).

Це рівняння можна підставити у формулу для розрахунку об'ємної витрати, $Q = \omega \cdot V$, що дозволяє отримати значення витрати без інформації про фактичний розподіл швидкостей по перерізу русла.

Канали в Україні

Назва	Призначення	Довжина	Пропускна спроможність	Рік введення в дію
Північно-Кримський канал	Іригаційна споруда	402,6 км	300 м³/с	1961—1971
Канал Дніпро — Донбас	Водопровідний канал	262,25 км	120 м³/с	1982
Канал Дніпро — Інгулець	Водопровідний та іригаційний канал	150,5 км	42 м³/с	1988
Канал Сіверський Донець — Донбас	Водопровідний канал	133,4 км	43 м³/с	1958
Каховський канал	Іригаційна споруда	130 км	530 м³/с	1979
Канал Дніпро — Кривий Ріг	Водопровідний та іригаційний канал	42 км	41 м³/с	1961

Див. також

• Біломорсько-Балтійський канал
• Панамський канал
• Суецький канал
• Кільський канал
• Дніпровсько-Бузький канал
• Північно-Кримський канал

Джерела

• Дмитрієв А. Ф., Хлапук М. М., Шумінський В. Д. та ін. Гідротехнічні споруди: Підручник для вузів. – Рівне: РДТУ, 1999. – 328 с.
• СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения речные. Основные положения проектирования. – М.: Стройиздат, 1985.
• СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые, от судов) – М.: Стройиздат, 1983.
• Кириенко И. И., Химерик Ю. А. Гидротехнические сооружения: Учебное пособие. – К.: Вища школа, 1987. – 154с.
• Колчунов В. І. Теоретична та прикладна гідромеханіка: Навч. Посібник.-К.: НАУ, 2004.-336 с. ISBN 966-598-174-9.

Посилання

• "Canals and Navigable Rivers" by James S. Aber, Emporia State University(англ.)
• National Canal Museum (USA)(англ.)
• London Canal Museum (UK)(англ.)
• Canals in Amsterdam(англ.)
• Canal du Midi(фр.)
• Canal des Deux Mers(фр.)