آشنایی با حوضچه آرامش و کاربردهای آن

حوضچه آرامش با پرش هیدرولیکی شامل کف بندهای افقی و شیب دار و نیز متعلقات استهلاک انرژی از قبیل بلوک های تنداب، بلوک های حوضچه و دیواره های انتهایی  پیوسته یا دندانه دار می باشند. در این پست به معرفی این نوع حوضچه ها، کاربردها و اجزای تشکیل دهنده آنها می پردازیم، با ما همراه باشید.

مقدمه

نظر به محدود و معین بودن حجم مخزن سدها، ممکن است وقوع سیلاب منجر به تکمیل حداکثر ظرفیت مخزن و عبور جریان از هر مجرای ممکن و از جمله تاج سد گردد. فرار آب حتی اگر باعث وارد آمدن خسارات سنگین نگردد، به سبب ایجاد شرایط هیدرولیکی نامطمئن و احتمالا غیرقابل کنترل، پدیده های نامطلوبی را ایجاد می کند. بنابراین لازم است مازاد حجم جریان ورودی به مخزن به صورت پیش بینی شده و تحت شرایط مطمئن هیدرولیکی تخلیه گردد. این وظیفه مهم در سدها بر عهده سرریزها می باشد.

به دلیل بالا بودن تراز سرریز نسبت به بستر رودخانه، بالا آمدن سطح آب باعث افزایش انرژی قابل توجهی در جریان خروجی شده که از قابلیت تخریب بالایی (به طور نسبی) برخوردار است. بنابراین لازم است این انرژی افزوده به طریقی مستهلک شود که در سرریز سدها این وظیفه بر عهده مستهلک کننده های انرژی می باشد.

پرش هیدرولیکی پدیده ای رایج در پایین دست سازه های هیدرولیکی، نظیر سریزها و دریچه ها می باشد. تبدیل سریع جریان فوق بحرانی به شرایط زیربحرانی در بازه ای نسبتا کوتاه، عمق جریان را افزایش می دهد و باعث افت قابل توجه انرژی می گردد. این پدیده به طور گسترده ای توسط محققان مختلف برروی کانال های مستطیلی مستقیم و افقی با کف ثابت (پرش هیدرولیکی کلاسیک)، مورد بررسی قرار گرفته است.

مستهلک کننده های انرژی

آب در زمانی که از روی سرریز عبور می کند و وارد تنداب می شود، رفته رفته بر سرعت آن افزوده شده تا نهایتا در پائین تنداب، جریان دارای سرعت فوق العاده زیادی می گردد، به طوری که جریان حالت فوق بحرانی داشته و انرژی جنبشی بسیار زیاد و مخربی دارد. استهلاک انرژی جنبشی تولید شده در سرریز ها امری ضروری است. این ضرورت نه تنها به جهت محافظت کف و دیواره های رودخانه پایین دست در مقابل فرسایش ناشی از سرعت و انرژی بالای جریان می باشد، بلکه به دلیل اطمینان از محافظت از بدنه پایین دست سد و سازه های وابسته به آن از جمله خروجی نیروگاه، تخلیه کننده های عمقی و خروجی آبگیرها و نیز کانال های انتقال پایین دست در مقابل جریان با سرعت بالا می باشد.

برای اینکه این انرژی جنبشی مخرب از آب گرفته شود، سازه های مستهلک کننده انرژی به کار گرفته می شوند. معمولا انواع مختلفی از مستهلک کننده های انرژی مورد استفاده قرار می گیرند که مهمترین آن ها پرتاب کننده جامی شکل و حوضچه آرامش می باشند.

پیشنهاد مطالعه : آشنایی با پرتابه جامی شکل و کاربردهای آن

حوضچه های آرامش با پرش هیدرولیكي

حوضچه های آرامش با پرش هیدرولیکی شامل کف بندهای افقی و شیب دار و نیز متعلقات استهلاک انرژی از قبیل بلوک های تنداب، بلوک های حوضچه و دیواره های انتهایی  پیوسته یا دندانه دار می باشند. طبق تعریف، حوضچه آرامش یا حوضچه پرش آبی عبارت است از قسمت کوتاهی از یک کانال کف سازی شده که به صورت سازه ای خاص در انتهای سرریزها، تنداب ها و یا هر منبع دیگری که جریان فوق بحرانی ایجاد کند، ساخته می شود و هدف از ساختن آن تشکیل پرش هیدرولیکی در داخل حوضچه است. در این صورت جریان فوق بحرانی، قبل از رسیدن به قسمت های غیر کف سازی شدة رودخانه، به جریان زیر بحرانی تغییر حالت داده و از انرژی فوق العادة آن کاسته شده و از خرابی های احتمالی آن جلوگیری می شود. این نوع مستهلک کننده ها به عنوان متداول ترین مستهلک کننده های انرژی در سدها بوده و عموما دارای راندمان های بالای 60 درصد در استهلاک انرژی می باشند. برای ارتفاع های بیش از 100 متر، عموما به کار بردن این نوع مستهلک کننده های انرژی به دلیل مسائلی از قبیل کاویتاسیون، لرزش و ارتعاش، فشارهای زیرین و منفی و … بایستی با احتیاط صورت گیرد و در چنین مواردی ساخت مدل فیزیکی ضروری است.

پیشنهاد مطالعه : آشنایی با پدیده کاویتاسیون و نحوه کاهش اثرات مخرب آن

شکل 1 . حوضچه آرامش

اجزای تشکیل دهنده حوضچه آرامش

هر حوضچه آرامش بر حسب شدت پرش هیدرولیکی، معمولا احتیاج به اجزایی دارد تا ضمن شکل دادن پرش هیدرولیکی در یک موقعیت و محل خاص، تا حد امکان از طول آن بکاهد. از جملة این اجزاء عبارتند از :

1 . بلوک های پای تنداب که در محل تغییر شیب و در ابتدای کف افقی حوضچه ساخته شده و هدف از ساخت آن ها، کوتاه کردن طول پرش و تثبیت آن است.

2 . آب پايه که به صورت دندانه دار یا منفرد در انتهای حوضچه ساخته شده و باعث کاهش بیشتر طول پرش هیدرولیکی و کنترل بهتر موقعیت آن می گردد. در حوضچه های آرامش بزرگ، به جهت آن که آب با سرعت زیاد، می تواند به انتهای حوضچه برسد، معمولا آب پایه به صورت دندانه دار ساخته می شود.

3 . بلوک های آرام کننده که بلوک کف یا بلوک های حوضچه آرامش نیز نامیده می شوند، در قسمت میانی حوضچه آرامش قرار گرفته و هدف از ساخت آن ها، اتلاف انرژی به صورت متمرکز و یک جا می باشد. در سرعت های کم، بلوک های آرام کننده بسیار مؤثر هستند، اما آن گاه که سرعت جریان زیاد باشد، ممکن است این نوع زائده مناسب نبوده و احتمالا باعث ایجاد پدیدة کاویتاسیون گردد.

در برخی از حوضچه های آرامش، می توان از یک دیواره سرتاسری پیوسته به عنوان جایگزین بلوک ها استفاده کرد که عموما دارای مزیت های زیر می باشد :

1 . کوتاه شدن طول حوضچه آرامش

2 . افزایش نرخ استهلاک انرژی

3 . کنترل و تثبیت بهتر و مناسب تر پرش هیدرولیکی

4 . کاهش عمق پایاب مورد نیاز

نتایج تحقیقات، نشان داده است که دیواره روزنه دار در مقایسه با دیواره پیوسته، عملکرد مناسب تری در کنترل و تثبیت پرش هیدرولیکی در حوضچه آرامش دارد. به طوری که این نوع دیواره موجب کاهش طول پرش هیدرولیکی و افزایش افت نسبی انرژی و کاهش عمق مورد نیاز پایاب می شود. به علاوه نتایج حاصل از آزمایش های اخیر نشان داده است که دیواره با سطح بازشدگی 50 درصد نسبت به سایر دیواره های روزنه دار عملکرد مناسب تری از نظر استهلاک انرژی و کاهش طول پرش هیدرولیکی دارد. بدین ترتیب عملکرد دیواره روزنه دار به گونه ای می باشد که می تواند موجب طراحی حوضچه های آرامش اقتصادی تری گردد. در شکل 2 نمونه ای از حوضچه های حوضچه آرامش نشان داده شده است.

شکل 2 . حوضچه های آرامش

نتایج به دست آمده از داده های حاصل از پرش هیدرولیکی بر روی بستر صاف نشان داده است که مقادیر عمق ثانویه، طول پرش هیدرولیکی و میزان انرژی در بستر گابیونی نسبت به بستر صاف به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابند. از این رو روابطی برای به دست آوردن عمق مزدوج نسبی، افت نسبی انرژی بر حسب عدد فرود جریان فوق بحرانی ورودی برای پرش های تشکیل شده بر روی بستر زبر ارائه می گردد.

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

منابع :

1 . مقاله ی کنترل پرش هیدرولیکي در حوضچه هاي آرامش بوسیله دیواره روزنه دار از رضا بهروزي راد

2 . مقاله ی بررسی آزمایشگاهی تاثیر بستر گابیونی شامل سنگدانه های تیزگوشه در حوضچه آرامش بر مشخصات پرش هیدرولیکی از نوشین حموله خیراله پور و همکاران