ارزیابی سرریز سیفونی و نحوه عملکرد آن در سدها

با توجه به اهمیت سرریز سیفونی به عنوان یکی از سازه‌هاي هیدرولیکی و مورد استفاده در طرح‌هاي 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 سازه‌هاي آبی هستند که براي انتقال یا عبور سیلاب و آب‌هاي اضافی از سرآب به پایاب سدها کاربري دارند. طراحی سریزها به عوامل متعددي از قبیل سیل طرح و محل سد و اندازه و نحوه بهره‌برداري از مخزن بستگی دارد. غیر از مسایل اقتصادي عواملی از قبیل دقت و اعتماد در بیش بینی‌هاي سیل، لرزه‌خیزي ساختگاه پروژه، دوره و مقدار سرریزي، 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 روش‌هاي مختلفی می‌توان طبقه بندي نمود. در تقسیم بندي سرریزها بر اساس عملکرد، سرریزها به دسته‌هاي سرویس اضطراري و کمکی تقسیم می‌شوند. چنانچه چگونگی تنظیم در نظر باشد سرریزها در دو دسته سرریز آزاد (بدون دریچه) می‌گنجند، و اگر رده بندي بر اساس معیارهاي هندسی صورت پذیرد، سرریزها در نوع ریزشی، اوجی، جانبی، شوت، مجرایی، تونلی، نیلوفري، سقوطی با بار شکن، آبرو و سیفونی مشخص می‌گردد. در سرریز سیفونی در صورت افزایش بسیار کم در رقوم سطح آب داخل کانال، حجم زیادي از آب را به سرعت به بیرون از کانال تخلیه می‌کند، اما ممکن است نسبت به دیگر انواع سازه‌هاي هرزآبرو، گران‌تر باشد. در صورتی که فضاي احداث براي سازه‌هاي سرریزي که روي تاج آنها باید جریان آزاد برقرار شود، محدود باشد، استفاده از سرریزهاي سیفونی مناسب‌تر است. این سرریز از یک مجراي بسته تشکیل شده که یک انتهاي آن به حوضچه‌اي در بالادست (کانال تغذیه) و دیگر انتهاي آن که در رقوم پایین‌تر قرار می‌گیرد به حوضچه‌اي در پایین دست منتهی می‌شود. لازم به ذکر است در حوضچه پایین دست انرژي مازاد تلف می‌شود.

شکل 1 . 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 داراي یک هوا گیر سیفون است که شامل لوله تخلیه هوا بوده و از روي سرریز تا سطح آب بالا دست ادامه دارد. حوضچه پایین دست سیفون عمل از بین بردن انرژي اضافه را انجام می‌دهد.

سرریز سیفونی از نظر فشار هیدرواستاتیکی داراي 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 هواگیري اولیه، توانایی بالا کشیدن آب از روي 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 زیادي از آب را به سرعت به بیرون از کانال تخلیه می‌کند، اما ممکن است نسبت به دیگر انواع سازه‌هاي هرزآبرو،  به علت قالب بندي‌ها داراي هزینه ساختمانی بیشتري باشد در صورتی که فضاي احداث براي سازه‌هاي سرریزي که روي تاج آنها باید جریان آزاد برقرار شود، محدود باشد، استفاده از سرریزهاي سیفونی مناسب‌تر است.

عملکرد خودکار سرریز سیفونی، به کارگیري متناوب وسایل دستی در ساختمان‌هاي 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 2 ساختمان سرریز سیفونی نشان داده شده است.

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

شکل 2 . ساختمان سرریز سیفونی

عملکرد

در شرایطی که سطح آب در کانال، به علت ورود جریان‌هاي اضافی یا بهره‌برداري نامناسب به تدریج افزایش یابد، این‌ ساختمان، به صورت سرریز تخلیه عمل خواهد کرد. اگر بالا آمدن سطح آب کانال ادامه یابد، جریان عبوري از سرریز سیفونی به حدي می‌رسد که سرعت جریان، باعث هواگیري سیفون می‌شود و با سیفونی شدن جریان، سطح آب کانال به سرعت پایین آمده و عمل سیفونی قطع می‌گردد. براي امکان تخلیه سیفون با بده طراحی، ضروري است هواگیري سیفون به طور کامل صورت گیرد، بدین معنی که تمام هوا باید از مجراي سیفون تخلیه گردد تا جریان در سطح مقطع مجرا به طور کامل برقرار شود.

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

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

یکی از معایب به کارگیري سرریز سیفونی در کانال‌هاي کوچک، پایین افتادن ناگهانی سطح آب در کانال‌ است که موجب پس زدگی و ایجاد موج می‌شود این پدید‌ه‌ها ممکن است با عملکرد ناگهانی هواگیري 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

براي امکان تخلیه کامل کانال ساختمان سرریز سیفونی همراه با مجراي هرز آبرو مجهز به دریچه‌هاي 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 3 نمای جانبی سرریز سیفونی نشان داده شده است.

شکل 3 . نماي 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 محرك است. علاوه بر هزینه سنگین، در مقایسه با سایر سرریزها، سرریزهاي سیفونی داراي 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 محرك 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 نوسان‌هاي نا خواسته در تراز پایاب رودخانه خواهد شد.
• یکی از عمده‌ترین عیوب سرریزهاي سیفونی عدم قدرت آنها در تخلیه جریان‌هاي بزرگتر از سیل طرح، براي افزایش معمول سطح آب مخزن است.
• ایجاد موج در داخل سیفون

بنابراین به طور کلی چنانچه بخواهند مقدار زیادي آب را در عرض کمی از ساحل رودخانه یا در طول کوتاهی از تاج سرریز و یا در ساحل کانال اصلی شبکه آبیاري 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 0/7  اتمسفر محلی تجاوز نماید.

انتخاب دبی طرح براي سرریز

ظرفیت سرریز یا دبی عبوري جریان در سرریز سدها با کمک محاسبات هیدرولوژي حوزه آب‌ریز رودخانه تا محل سد تعیین می‌شود. با استفاده از روش روندیابی سیل و با در نظر گرفتن اینکه مقداري از سیل در فاصله حجم رقوم‌هاي نرمال و ماکزیمم در مخزن سد مستهلک می‌شود، واریانت‌هاي مختلف براي سرریز در نظر می‌گیرند و ظرفیت عبوري سرریز به این صورت بهینه می‌شود.

معمولا دبی سیلاب براي سرریز بسته به موقعیت سد و درجه بندي آن و با استفاده از دوره بازگشت سیل تعیین می گردد. در سال‌هاي اخیر براي سدهاي 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. براي سدهاي درجه دو و یا سدهایی که در صورت خراب شدن ممکن است خسارات مالی فراوانی به بار آید وخسارات جانی اندك باشد سیل هاي 10000 ساله و براي سدهاي درجه سه یا سدهایی که در اثر شکسته شدن خسارات مالی و جانی بسیار زیادي به بار نمی‌آورند سیل هاي 500 تا 1000 ساله و براي سدهاي انحرافی سیل هاي 50 تا 100 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 کشورهاي مختلف متفاوت باشد. 

منابع:

1 . کتاب سازه‌هاي انتقال آب (تالیف: دکتر محمد کریم بیرامی)

2 . کتاب هیدرولیک کانال‌هاي باز دکتر ابریشمی

3 . کتاب طراحی کانال‌هاي آبیاری و سازه‌هاي وابسته از انتشارات دانشگاه تهران

4 . جزوه سرریز و انواع آن در سدها از روح الله پوربافرانی و محمد عنبري