ارزیابی سرریز سیفونی و نحوه عملکرد آن در سدها

با توجه به اهمیت سرریز سیفونی به عنوان یکی از سازه‌های هیدرولیکی و مورد استفاده در طرح‌های آبرسانی در این پست سعی شده است به طور کامل سرریز سیفونی  مورد بررسی قرار گیرد. با ما همراه باشید.

پیشنهاد مطالعه: انواع سرریز سد و انتخاب دبی طرح برای آنها

مقدمه

سرریزها انواعی از سازه‌های آبی هستند که برای انتقال یا عبور سیلاب و آب‌های اضافی از سرآب به پایاب سدها کاربری دارند. طراحی سریزها به عوامل متعددی از قبیل سیل طرح و محل سد و اندازه و نحوه بهره‌برداری از مخزن بستگی دارد. غیر از مسایل اقتصادی عواملی از قبیل دقت و اعتماد در بیش بینی‌های سیل، لرزه‌خیزی ساختگاه پروژه، دوره و مقدار سرریزی، توپوگرافی زمین شناسی و نوع سد نیز در طراحی سرریزها موثرند. سرریزها به منظور تبدیل رژیم جریان از زیر بحرانی به فوق بحرانی به کار می روند.

سرریزها را به روش‌های مختلفی می‌توان طبقه بندی نمود. در تقسیم بندی سرریزها بر اساس عملکرد، سرریزها به دسته‌های سرویس اضطراری و کمکی تقسیم می‌شوند. چنانچه چگونگی تنظیم در نظر باشد سرریزها در دو دسته سرریز آزاد (بدون دریچه) می‌گنجند، و اگر رده بندی بر اساس معیارهای هندسی صورت پذیرد، سرریزها در نوع ریزشی، اوجی، جانبی، شوت، مجرایی، تونلی، نیلوفری، سقوطی با بار شکن، آبرو و سیفونی مشخص می‌گردد. در سرریز سیفونی در صورت افزایش بسیار کم در رقوم سطح آب داخل کانال، حجم زیادی از آب را به سرعت به بیرون از کانال تخلیه می‌کند، اما ممکن است نسبت به دیگر انواع سازه‌های هرزآبرو، گران‌تر باشد. در صورتی که فضای احداث برای سازه‌های سرریزی که روی تاج آنها باید جریان آزاد برقرار شود، محدود باشد، استفاده از سرریزهای سیفونی مناسب‌تر است. این سرریز از یک مجرای بسته تشکیل شده که یک انتهای آن به حوضچه‌ای در بالادست (کانال تغذیه) و دیگر انتهای آن که در رقوم پایین‌تر قرار می‌گیرد به حوضچه‌ای در پایین دست منتهی می‌شود. لازم به ذکر است در حوضچه پایین دست انرژی مازاد تلف می‌شود.

شکل ۱ . سرریز سیفونی

تعریف و کاربرد

سرریز سیفونی مجرایی بسته است که قسمت بالایی آن تا سطح آب بالادست (سطح آب در کانال یا مخزن) و قسمت پایینی آن از لبه تا حوضچه پایین دست ادامه دارد. همچنین این ساختمان دارای یک هوا گیر سیفون است که شامل لوله تخلیه هوا بوده و از روی سرریز تا سطح آب بالا دست ادامه دارد. حوضچه پایین دست سیفون عمل از بین بردن انرژی اضافه را انجام می‌دهد.

سرریز سیفونی از نظر فشار هیدرواستاتیکی دارای محدودیتی برابر فشار جو در محل می‌باشد به همین دلیل در بعضی موارد (سرریز سیفونی کم فشار) نامیده می‌شود.

برخلاف ساختمان (سیفون معکوس) که تحت فشار مثبت کار می‌کند، سرریز سیفونی تحت فشار منفی عمل می‌نماید.

سرریز سیفونی، پس از هواگیری اولیه، توانایی بالا کشیدن آب از روی تاج سرریز و تخلیه آ ن به تراز پایین‌تر را دارد. سرریز سیفونی در صورت افزایش بسیار کم در رقوم سطح آب داخل کانال، حجم زیادی از آب را به سرعت به بیرون از کانال تخلیه می‌کند، اما ممکن است نسبت به دیگر انواع سازه‌های هرزآبرو،  به علت قالب بندی‌ها دارای هزینه ساختمانی بیشتری باشد در صورتی که فضای احداث برای سازه‌های سرریزی که روی تاج آنها باید جریان آزاد برقرار شود، محدود باشد، استفاده از سرریزهای سیفونی مناسب‌تر است.

عملکرد خودکار سرریز سیفونی، به کارگیری متناوب وسایل دستی در ساختمان‌های کنترل واقع در طول کانال را از بین خواهد برد. امتیاز برجسته سرریز سیفونی، عبارت است از قدرت تخلیه حجم قابل ملاحظه آب در اثر بالا رفتن مقدار ارتفاع کم سطح آب در کانال یا مخزن می‌باشد. در شکل ۲ ساختمان سرریز سیفونی نشان داده شده است.

پیشنهاد مطالعه : آشنایی با پدیده کاویتاسیون در سرریز و راه های جلوگیری از آن

شکل ۲ . ساختمان سرریز سیفونی

عملکرد

در شرایطی که سطح آب در کانال، به علت ورود جریان‌های اضافی یا بهره‌برداری نامناسب به تدریج افزایش یابد، این‌ ساختمان، به صورت سرریز تخلیه عمل خواهد کرد. اگر بالا آمدن سطح آب کانال ادامه یابد، جریان عبوری از سرریز سیفونی به حدی می‌رسد که سرعت جریان، باعث هواگیری سیفون می‌شود و با سیفونی شدن جریان، سطح آب کانال به سرعت پایین آمده و عمل سیفونی قطع می‌گردد. برای امکان تخلیه سیفون با بده طراحی، ضروری است هواگیری سیفون به طور کامل صورت گیرد، بدین معنی که تمام هوا باید از مجرای سیفون تخلیه گردد تا جریان در سطح مقطع مجرا به طور کامل برقرار شود.

هواگیری، هنگامی شروع می‌شود که عبور جریان از روی سرریز صورت گرفته و در داخل قسمت پایینی مجرا، سرعت جریان به حدی برسد تا مخلوط آب و هوا را به خارج تخلیه نماید. برای راحتی اختلاط هوا و آب‌، یک زائده منحرف کننده درکف قسمت مجرای پایینی نصب می‌گردد تا موجب جدایی تیغه آب از کف و پاشیدن آب به سقف مجرا گردد.

هواگیری کامل سیفون، هنگامی اتفاق می‌افتد که تخلیه هوا از مجرا به طور کامل صورت گرفته و فشار روی سرریز از فشارهوا کمتر شود. با یکبار هواگیری کامل سیفون، عملکرد سیفونی ساختمان تا زمانی که سطح آب کانال پایین‌تر از ورودی لوله دارای عملکرد غیر سیفونی قرار گیرد ادامه خواهد داشت. در این موقعیت، هوا وارد مجرای ورودی سیفون شده، فشار اتمسفر در تاج سرریز برقرار می‌گردد و جریان سیفون به سرعت قطع خواهد شد.

یکی از معایب به کارگیری سرریز سیفونی در کانال‌های کوچک، پایین افتادن ناگهانی سطح آب در کانال‌ است که موجب پس زدگی و ایجاد موج می‌شود این پدید‌ه‌ها ممکن است با عملکرد ناگهانی هواگیری و قطع جریان سیفونی همراه گردد. این پدیده‌ها، تنظیم دریچه آبگیرها را برهم زده و ممکن است باعث فرسایش کانال پایین دست نیز بشود.

متعلقات

برای امکان تخلیه کامل کانال ساختمان سرریز سیفونی همراه با مجرای هرز آبرو مجهز به دریچه‌های کشویی یا قطاعی در نظر گرفته می‌شود. یک ساختمان کنترل سطح آب در نزدیکی اغلب پایین دست این ساختمان در کانال پیش‌بینی می‌شود تا انحراف تمامی جریان کانال به داخل هرز آبرو میسر باشد. در شکل ۳ نمای جانبی سرریز سیفونی نشان داده شده است.

شکل ۳ . نمای جانبی سرریز سیفونی

محاسن

• حسن عمده سرریز سیفونی در این است که با افزایش جزئی سطح آب بالا دست می‌تواند دبی کامل طرح را از خود عبور دهد.
• حسن دیگر این نوع سرریزها در خودکار بودن و عملکرد خوب آن‌ها بدون نیاز به وسایل مکانیکی یا وسایل محرک است. علاوه بر هزینه سنگین، در مقایسه با سایر سرریزها، سرریزهای سیفونی دارای معایبی هستند که موارد زیر از آن جمله است.
• یک امتیاز برجسته سرریز سیفونی، عبارت است از قدرت تخلیه حجم قابل ملاحظه آب در اثر بالا رفتن مقدار ارتفاع کم سطح آ ب در کانال یا مخزن می‌باشد.
• در سرریزسیفونی به دلیل عملکرد خوب و خودکار آنها نیاز به وسایل مکانیکی یا وسایل محرک است.

معایب

• قادر نیستند یخ و آشغال را از خود عبور دهند.
• امکان دارد سیفون و یا لوله هوا دهی، توسط شاخ و برگ درختان بسته شود.
• امکان دارد در نتیجه تغییرات ناگهانی شروع و توقف عمل سیفون جریان خروجی بطور سریع قطع و وصل شود و یا بصورت امواج به رود خانه بریزد. این عمل سبب ایجاد نوسان‌های نا خواسته در تراز پایاب رودخانه خواهد شد.
• یکی از عمده‌ترین عیوب سرریزهای سیفونی عدم قدرت آنها در تخلیه جریان‌های بزرگتر از سیل طرح، برای افزایش معمول سطح آب مخزن است.
• ایجاد موج در داخل سیفون

بنابراین به طور کلی چنانچه بخواهند مقدار زیادی آب را در عرض کمی از ساحل رودخانه یا در طول کوتاهی از تاج سرریز و یا در ساحل کانال اصلی شبکه آبیاری عبور دهند ممکن است از سرریز سیفونی استفاده نمایند. رقوم تاج سرریز در گلوگاه و یا به عبارت دیگر کف گلوگاه سیفون، هم سطح رقوم نرمال سطح آب در مخزن یا در کانال قرار می گیرد. حرکت آب تحت تأثیر فشار منفی قرار می گیرد. حداکثر فشار منفی ایجاد شده در گلوگاه سیفون نباید از ۰/۷  اتمسفر محلی تجاوز نماید.

انتخاب دبی طرح برای سرریز

ظرفیت سرریز یا دبی عبوری جریان در سرریز سدها با کمک محاسبات هیدرولوژی حوزه آب‌ریز رودخانه تا محل سد تعیین می‌شود. با استفاده از روش روندیابی سیل و با در نظر گرفتن اینکه مقداری از سیل در فاصله حجم رقوم‌های نرمال و ماکزیمم در مخزن سد مستهلک می‌شود، واریانت‌های مختلف برای سرریز در نظر می‌گیرند و ظرفیت عبوری سرریز به این صورت بهینه می‌شود.

معمولا دبی سیلاب برای سرریز بسته به موقعیت سد و درجه بندی آن و با استفاده از دوره بازگشت سیل تعیین می گردد. در سال‌های اخیر برای سدهای درجه یک و یا سدهایی که در صورت خراب شدن ممکن است خسارات جانی و مالی فراوانی ببار آوردند حداکثر سیل محتمل در نظر گرفته شود. برای سدهای درجه دو و یا سدهایی که در صورت خراب شدن ممکن است خسارات مالی فراوانی به بار آید وخسارات جانی اندک باشد سیل های ۱۰۰۰۰ ساله و برای سدهای درجه سه یا سدهایی که در اثر شکسته شدن خسارات مالی و جانی بسیار زیادی به بار نمی‌آورند سیل های ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ ساله و برای سدهای انحرافی سیل های ۵۰ تا ۱۰۰ ساله در نظر گرفته می‌شود. اصولا انتخاب سیل بستگی به ریسکی است که باید از طرف طراح قابل قبول و پذیرفته شود بنابراین دوره بازگشت سیل انتخاب شده ممکن است توسط افراد مختلف و در کشورهای مختلف متفاوت باشد. 

منابع:

۱ . کتاب سازه‌های انتقال آب (تالیف: دکتر محمد کریم بیرامی)

۲ . کتاب هیدرولیک کانال‌های باز دکتر ابریشمی

۳ . کتاب طراحی کانال‌های آبیاری و سازه‌های وابسته از انتشارات دانشگاه تهران

۴ . جزوه سرریز و انواع آن در سدها از روح الله پوربافرانی و محمد عنبری