11.4. Водный баланс каналов и мероприятия по предотвращению фильтрации

Для обеспечения работы канала необходимо его питание водой, которое расходуется на полезное потребление и на потери. Полный расход воды, необходимый для работы двухсклонного канала, находится как сумма полезных расходов и потерь

, м³/с, (11.15)

где: Q_шл – расход воды на шлюзование, определяемый для однокамерного шлюза по выражению:

, м³/с, (11.16)

где: п_о и m_д – количество судов, соответственно, одностороннего и двухстороннего шлюзований;

V_сл – объем сливной призмы за одно шлюзование.

, м³, (L – полная длина камеры).

Из выражения (11.16) следует, что расход воды на шлюзование зависит от объема сливной призмы и порядка движения судов. Для уменьшения расхода выгодно больше судов пропускать при двухстороннем движении: в этом случае одна сливная призма расходуется на два шлюзования.

Расход воды на фильтрацию через уплотнения напорных сооружений определяют по зависимости

, м³/с, (11.17)

где: q – удельный расход фильтрации на 1 п.м. уплотнений при напоре Н=1 м, принимаемый в зависимости от состояния уплотнений в пределах от 0,15 до 5 л/с;

р – периметр уплотнений, м.

Рис. 11.5. Схема к определению потерь на фильтрацию

через уплотнения нижней головы шлюза:

1 – рабочие двустворчатые ворота; 2 – обходные галереи опорожнения

Наибольшие потери через уплотнения на судоходном шлюзе имеют место через нижнюю голову при уровне верхнего бьефа, где установлены двустворчатые ворота и затворы водопроводных галерей (рис. 11.5). Периметр уплотнений в этой схеме определяется равным

, м³/с

Расходы воды на шлюзование (Q_шл) и на фильтрацию через уплотнения ворот и затворов нижней головы шлюза (Q_упл) для двухскатного канала удваиваются.

Потери воды на испарение с поверхности канала (Q_и), зависящие от площади зеркала, температуры воздуха, скорости ветра, влажности и других факторов, определяют по формуле

, м³/с, (11.18)

где: q – среднесуточная толщина слоя испарения, м;

 =В_з · L_k – площадь зеркала канала (L_k – длина канала и В_з – ширина по зеркалу).

Потери воды на фильтрацию в грунт (Q_ф) зависят от положения уровня воды в канале по отношению к уровню грунтовых вод. Если канал расположен в выемке при высоком уровне грунтовых вод по отношению к уровню воды в канале, то в этом случае фильтрация происходит из грунта в канал. Если грунтовые воды ниже уровня воды в канале (при глубоком залегании водоупора), то имеет место фильтрация воды из канала в грунт, которая существенно зависит от водопроницаемости грунтов, слагающих ложа каналов. В этом случае потери на фильтрацию для канала трапецеидального сечения определяются по приближенной зависимости

, м³/с, (11.19)

где: к_ф – коэффициент фильтрации, зависящий от рода грунта, м/с;

А – коэффициент, принимаемый в зависимости от отношений и величины заложения откоса от 2 до 5.

Потери воды на фильтрацию могут составлять в год 5-10% объема воды водораздельного бьефа при малой водопроницаемости грунтов и 20-40%– при значительной водопроницаемости.

Для уменьшения потерь воды из канала из-за фильтрации в грунт осуществляют следующие мероприятия:

• уплотнение грунта ложа канала при строительстве с целью уменьшения пористости и коэффициента фильтрации;

• использование различных смесей, способных самоуплотняться. В качестве таких смесей применяют, например, гидротон – смесь из глины, песка, жидкого стекла и соды, и др. смеси;

• устройство противофильтрационных покрытий из материалов с малыми коэффициентами фильтрации: глина, бетон, асфальт, торф, полиэтилен и др.

Наиболее широкое применение получили противофильтрационные экраны из глины (рис. 11.6), как простые по устройству и экономичные. Форма поперечного сечения экрана приближенно повторяет форму поперечного сечения канала, имеет необходимые размеры и защищается от разрушения слоем гравелистого или песчаного грунта (пригрузка) толщиной 1,0-1,5 м. Снижение потерь на фильтрацию при устройстве экранов из глины составляет 70-85%. Для экранов из асфальта, например, эти потери составляют 80-85%, для бетона – 80-95%, но она отличаются от глинистых экранов более высокой стоимостью.

Рис. 11.6. Схема глиняного противофильтрационного экрана:

1 – экран; 2 – пригрузка; 3 – запас на капиллярный подъем воды;

4 – запас на промерзание.

Вода судоходных каналов используется не только на транспортные цели, но и на другие полезные нужды: водоснабжение, орошение, обводнение, энергетика и т.п. (Q_п). Их объемы и расходы определяются специальными водохозяйственными расчетами.

Общий объем воды, требуемый для работы канал, определяется равным:

, м³, (11.20)

где: Т – рассматриваемый период времени (сутки, месяц, навигация, год).