طراحی آبراهه‌ها

آبراهه‌هاى غيرفرسايشى

کانال‌هائى که بدنه آنها با بتن يا مواد سخت ديگر ساخته شده باشد به‌نام کانال‌هاى غيرفرسايشى ناميده مى‌شوند. ابعاد اين کانال‌ها بر اساس فرمول‌هاى جريان يکنواخت، و در نظر داشتن کارائى هيدروليکى به‌دست مى‌آيد. نمونه‌اى از اين کانال‌ها در شکل‌ (کانال پوشش شده ذوزنقه‌اي) و شکل (يک کانال با مقطع نيم‌دايره‌اي) نشان داده شده است.

حداقل سرعت مجاز

حداقل سرعت مجاز در کانال‌هاى غيرفرسايشى به ‌سرعتى گفته مى‌شود که مى‌بايست در کانال تأمين شود تا مواد معلقى که همراه آب وجود دارند در کانال ته‌نشين نشوند. همچنين اين سرعت اجازه ندهد جلبک‌ها و گياهان آبزى مشابه د کانال استقرار يافته و رشد نمايند. رسوب سيلت و مواد معلق در کانال و يا رشد جلبک‌ها باعث مى‌شود که کانال از نظرسطح مقطع تغيير شکل بدهد و جريان آب از حالت يکنواخت خارج شود. تجربه نشان داده است که حداقل سرعت در کانال‌هاى غيرفرسايشى حدود ۶/۰ تا ۹/۰ متر در ثانيه است.

معادله مانينگ که سرعت آب توسط آن محاسبه مى‌شود نشان مى‌دهد که سرعت تابعى از شيب کف کانال است و چون شيب کانال بسته به شيب زمينى است که کانال درآن ساخته مى‌شود بنابر اين مهندس طراح بايد کنترل کند که آيا شيب زمين مى‌تواند چنان سرعتى را در کانال ايجاد کند از حداقل سرعت مجاز کمتر نباشد يا خير؟

بهترين مقطع هيدروليکى

معادله‌هاى تجربى که در طراحى کانال‌ها استفاده مى‌شود- مانند معادله مانينگ - مى‌بايست در ارتباط با توازن بين نيروهاى ثقلى که آب را به جلو حرکت مى‌دهد، و نيروهاى مقاومت بدنه کانال، که باعث کندى حرکت آب مى‌شود، باشد. کاراترين کانال از نظر انتقال آب کانالى است که به ازاء سطح مقطع مشخص کوچک‌ترين محيط خيش شده را داشته باشد. در هر شکل هندسى کاراترين کانالى که بتواند مقدار بيشترى آب را از خود عبور دهد بهترين مقطع هيدروليکى گفته مى‌شود. در جدول (بهترين مقاطع هيدروليکي) انواع مقاطع هندسى و پارامترهاى مربوط به بهترين مقطع هيدروليکى آن نشان داده شده است.

در بين مقاطع مختلف نيم‌دايره بهترين شکل هيدروليکى است اما چون ساخت آن در مزرعه مشکل است اکثراً کانال‌ها به‌شکل ذوزنقه که مشابه‌ترين شکل به نيم‌دايره مى‌باشد ساخته مى‌شوند. بايد توجه داشت که اصل حداقل سرعت مجاز فقط در مورد کانال‌هاى غيرفرسايشى صادق است و طراحى کانال‌هاى فرسايشى مى‌بايست براساس حداکثر سرعت مجاز انجام شود.

جدول بهترين مقاطع هيدروليکى

مقطع

مساحت A

محیط خیس شده P

شعاع هیدرولیکی R

عرض مقطع در بالا T

عمق هیدرولیکی D

trapezoid,haif of a hexagon

(3√) y2

(3√2)y

(1/2)y

(3√4/3)y

(3/4)y

rectangle,haif of a square

2y2

4y

(1/2)y

2y

y

triangle,haif of a square

y2

(2√2)y

(2√(1/4))y

2y

(1/2)y

semicircle

π/2 )y2)

πy

( 1/2 ) y

2y

π/4 )y)

parabola , T=(2√2)y

(2√4/3)y2

(2√8/3)y

(1/2)y

(2√2)y

(2/3)y

hydrostatic catenary

1.39586y2

2.9836y

0.46784y

1.917532y

0.72795y

ارتفاع آزاد

پس از اينکه ابعاد کانال براساس بهترين مقطع هيدروليکى مشخص شد از نظر اطمينان بايد عمق کانال را بيشتر از عقم آب درنظر گرفت. اين مقدار اضافى را ارتفاع آزاد گويند. ارتفاع آزاد نبايد به‌حدى باشد که باعث بالا رفتن هزينه‌هاى اجرائى گردد. مقدار ارتفاع آزاد (f) تابعى از عمق نرمال آب و دبى در آن است. فرمول‌هاى (۶) و (۷) بر اساس تجارب کارشناسان دفتر عمران ايالات متحده (USBR) بدست آمده و از نظر طراحى مى‌تواند مورد استفاده قرار گيرد.

براى حالتى که Q= 0.57 m³/s

(معادله ۶):

f = [0.4572 (yn)]1/2

و براى حالتى که Q = 85 m³/se

(معادله ۷):

f = [0.7620 (yn)]1/2

f = ارتفاع آزاد (متر)

y_n = عمق نرمال آب در شرايط جريان يکنواخت

Q = دبى