انواع سرریز سد و انتخاب دبی طرح برای آنها

از آنجایی که سرریز سد یکی از مهمترین اجزاي آن بشمار می رود، شناخت انواع سرریز سد و کاربردهاي آنها براي دانشجویانی که به هر نحوي چه به صورت پروژه اي تحقیقاتی و چه به صورت پروژه اي ساختی با موضوع سد در ارتباطند الزامی است، از این رو سعی شده است تا در این نوشتار به معرفی انواع سرریز سد و کاربردهاي آنها در سد ها بپردازیم.

در ابتدا در مورد لزوم استفاده از سرریز سد نکاتی بیان گردیده است، در ادامه براي دسته بندي سرریز سد ها، آنها را به دو صورت تقسیم کرده ایم :

• تقسیم بندي سرریز سد ها بر اساس وجود یا عدم وجود دریچه
• تقسیم بندي سرریز بر اساس محل قرار گیري آنها نسبت به سد

در تقسیم بندي اول، سرریز سد ها را از نظر دریچه دار بودن یا نبودن بررسی کرده ایم و انواع آنها را برشمرده ایم. اما تقسیم بندي دوم خود داراي دو قسمت است :

• سرریز هایی که معمولا داخل بدنه سد ساخته می شوند
• سرریز هایی که معمولآ خارج از بدنه سد ساخته می شوند

در ادامه این نوشتار در مورد انواع مهم سرریز هاي هر بخش، بحث و مقایسه شده است. در انتهای تحقیق نیز با توجه به این نکته که سرریز نقش اساسی را در هنگام بروز سیل ایفا می کند، در رابطه با انتخاب دبی طرح براي سرریز با توجه به دبی سیلاب نکاتی ذکر گردیده است.

مقدمه

براي عبور آب هاي اضافی از سراب (بالادست) به پایاب (پایین دست) سدها از سازه اي به نام سرریز استفاده می شود. سرریز سد یکی از کلیدي ترین اعضاي سد به شمار می رود که شکست بسیاري از سد ها به عدم کفایت سر ریز آنها نسبت داده شده است.

ایمنی سد ها به طور اهم ارتباط مستقیم و تنگاتنگی با کفایت ظرفیت سر ریز دارد. بیشتر شکست سدها در اثر عبور آب از روي تاج آنها به وقوع می پیوندد که مهمترین عامل آن کافی نبودن ظرفیت سرریز سد است. عملکرد ایمن سرریزها، در شرایط غیر عادي، عامل مهمی در ایمنی سدهاست. بر طبق گزارشات منتشر شده توسط کنفرانس بین المللی سد هاي بزرگ (ICOLD)حدود 0.33 شکست سد ها از عدم کفایت سرریز نشأت گرفته است.

در نتیجه با توجه به حساس بودن کارکرد، سرریز باید سازه اي قوي ، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که در هر لحظه بتواند براي بهره برداري آمادگی داشته باشد. به طور کلی انتخاب سیل مبناي طرح سرریز هاي سد هاي مخزنی و معیار هاي طراحی آنها یکی از مسائل مهم سدسازي به شمار می آید و نقش عمده اي در کاهش خطر سیل گرفتگی شهرها یا اراضی بالادست سدهاي مخزنی دارد. متأسفانه به دلیل نبود معیارهاي فنی و تجربه هاي مناسب در زمینه مدیریت سیلاب بعضاً شاهد انتخاب نادرست نوع سرریز سدهاي مخزنی هستیم.

سرریز ها باید در کلیه ي شرایط آماده ی بهره برداري بوده و قادر به تخلیه ي سیل مبناي طرح باشند تا در هنگام وقوع سیل شاهد تلفات جانی و خسارات مالی بیش از حد انتظار نباشیم. همچنین یکی از عوامل مهم که پایداري و سازه سرریز را تهدید می کند و ممکن است باعث لطمه جبران ناپذیر به سرریزها شود پدیده نام آشناي کاویتاسیون می باشد. درك صحیح از عملکرد سرریزها می تواند تا حد زیادي هزینه ساخت را کاهش و مشکلات سیل گرفتگی را مرتفع نماید.

انواع سرریز سد

به طور خلاصه می توان سرریز سد ها را با توجه به دارا بودن یا نبودن دریچه و یا ساختن آن در بدنه ي سد یا خارج از آن به صورت زیر تقسیم بندي نمود.

تقسیم بندي بر اساس وجود یا عدم وجود دریچه

چنان چه توپوگرافی محل و میزان سیل به نحوي باشد که بتوان از سرریز بدون دریچه استفاده نمود، در آن صورت بهره برداري از سرریز ساده خواهد شد که این امر در مقاطع عریض رودخانه میسر است و براي مقاطع تنگ رودخانه سد معمولا با دریچه طراحی می شود. در حالت دوم کنترل جریان بهتر میسر می گردد و این نوع سرریز به سرریز کنترل کننده سیل نیز معروف است. در زمان وقوع سیل ، اگر مخزن پر باشد، دریچه ها به منظور عبور جریان سیل کاملا باز نگه داشته می شوند.

در حال حاضر بیشتر سد ها به دریچه هاي تنظیم مجهز هستند تا بهره برداري انعطاف پذیر از سد را امکان پذیر سازد. به منظور پیشگیري از وقوع سیل در پایاب سد، دریچه ها را باید بر اساس بهره برداري آن باز و بسته کرد. دریچه ها را باید از نظر امکان ارتعاش آنها نیز آزمایش کرد. مزیت هاي دریچه هاي تعبیه شده روي سرریز ها عبارتست از :

• تغییر و کنترل تراز مخزن
• کنترل سیل
• ایجاد تراز ذخیره بالاتر در مخزن

در حالی که معایب آنها عبارتند از :

• خطر احتمالی ناشی از بهره برداري نامناسب یا خرابی آن
• صرف هزینه بیشتر براي تعبیه دریچه
• ضرورت تعمیر و نگهداري دریچه

بسته به اندازه و موقعیت سد، استفاده از دریچه ها در شرایط زیر اولویت دارد :

• سد هاي بزرگ
• سیل هاي بزرگ
• امکان دستیابی راحت براي بهره برداري از دریچه

هم اکنون از سه نوع دریچه یعنی دریچه یکطرفه لولا دار (Gate flap hinged)، دریچه کشویی قائم (Gate lift vertical) و دریچه هاي قطاعی (Gates radial) استفاده می شود. دریچه هاي یکطرفه را براي ارتفاع کم جریان در حد چند متر و با طول زیاد می توان استفاده کرد. دریچه کشویی می تواند ارتفاع زیادي داشته باشد اما به متعلقاتی مانند شیار هاي دریچه، وسیله بالابر قوي و سازه نگهدارنده نیاز دارد. دریچه هاي قطاعی را به دلیل سازه ساده آن ، نیروي نسبتآ کم مورد نیاز براي بکار اندازي آن و نیاز نداشتن به شیار دریچه در آن، بیشتر براي سرریز هاي بزرگ و متوسط استفاده می کنند. مقاومت دریچه قطاعی به استحکام یاتاقان آن بستگی دارد.

به دلایل ایمنی، باید از تعدادي دریچه با ابعاد متوسط به جاي تعداد کمتري دریچه بزرگتر استفاده شود. در زمان طراحی ، فرض می شود که بزرگترین دریچه از کار بیفتد و دریچه هاي دیگر باید توانایی عبور دبی مورد نظر را داشته باشند. تنظیم و باز و بسته کردن دریچه به وسیله بالابر یا جک هاي هیدرولیکی که با موتور الکتریکی کار می کنند انجام می شود. چنان چه احتمال قطع برق وجود داشته باشد، ژنراتورهاي دیزلی – الکتریکی را می توان براي استفاده در مواقع ضروري پیش بینی کرد.

تقسیم بندي سرریز بر اساس محل قرار گیري سرریز نسبت به سد

سرریز OGEE

سازه روگذر یا سرریز را بسته به شرایط محل و خصوصیات هیدرولیکی به صورت هاي مختلفی می توان طراحی کرد. سرریز هاي از نوع پیوند (OGEE) و سرریز هاي لبه پهن که نوع دوم در سازه هاي کوتاه مورد استفاده قرار می گیرند، سرریز هایی می باشند که معمولا در بدنه ي سد قرار داده می شوند.

این سرریزها یک لبریز کنترل دارند که به شکل منحنی اوجی (پیوند) یا داراي پروفیل S شکل است. معمولاً قسمت فوقانی منحنی پیوند طوري طراحی می شود که هر چه نزدیکتر بر پروفیل زیرین سفره آبی که از روي یک لبریز لبه تند هوا دهی شده، فرو می ریزد منطبق باشد. با جلوگیري از ورود هوا به زیر سفره آب ، امکان تماس بین آب سرریز شده و پروفیل تاج سرریز فراهم می آید. براي دبی هاي نظیر ارتفاع طراحی، جریان آب بدون مزاحمتی از طرف لایه مرزي، به آرامی بر روي پروفیل تاج سرریز حرکت می کند و تقریباً حداکثر بازده تخلیه به دست می آید. پایین تر از قسمت فوقانی منحنی پیوند، پروفیل به صورت مماسی در طول یک شیب ادامه می یابد و بدین ترتیب ورقه آب را در روي سطح قسمت آبریز حفاظت می کند. در انتهاي شیب ، یک منحنی معکوس جریان را به داخل حوضچه آرامش و یا کانال تخلیه سرریز بر می گرداند.

منحنی فوقانی تاج سریز سد را می توان تندتر و یا ملایم تر از پروفیل سفره ریزشی آب انتخاب کرد. شکل ملایم تر پروفیل سبب خواهد شد که ورقه آب به سطح پروفیل بچسبد و فشار هیدرواستاتیکی مثبتی را در سطح تماس پدید آورد. در این حالت ، مقاومت جریان افزایش می یابد و بازده تخلیه سرریز کاسته می شود. براي پروفیل تندتر ، امکان جدا شدن ورقه آب از سطح تاج وجود دارد که با وقوع فشار منفی در سطح تماس همراه خواهد بود. اثر این گونه فشارهاي منفی، در افزایش ارتفاع مؤثر است که در نتیجه بر دبی جریان می افزاید. یک تاج آبریز همراه با کف بند پایین دست، می تواند به عنوان یک سرریز کامل مورد استفاده قرار گیرد. این حالت را می توان در سدهاي بتنی وزنی مشاهده کرد. در حالت دیگر، تاج آبریز ممکن است فقط بصورت سازة کنترل ، براي انواع دیگر سرریزها مورد استفاده قرار گیرد.

سرریز هایی که معمولآ خارج از بدنه سد ساخته می شوند عبارتند از :

• سرریز جلویی (مستقیم)
• سرریز جانبی
• سرریز لاله اي
• سرریز سیفونی
• سرریز پلکانی

شکل 1- سرریز OGEE

سرریز کنگره ای

در سازه هاي دیگري مانند سرریز کنگره اي، از سرریز مستقیم استفاده می شود که تاج آن به شکل مثلثی یا ذوزنقه هاي متوالی است. نوع دیگر آن، سرریز روزنه اي است که در سد هاي قوسی استفاده شده است. در این نوع سرریز ، امکان مسدود شدن روزنه سرریز با زباله ها و مواد شناور وجود دارد. رابطه دبی – ارتفاع سرریز روزنه اي در مقایسه با سرریز مستقیم حساسیت کمتري به عمق جریان دارد. سرریز هاي غیر مستقیم براي دبی هاي کم یا متوسط استفاده می شوند.

شکل 2- سرریز کنگره ای

سرریز لاله ای یا نیلوفری

سرریز سد لاله اي یا سرریز نیلوفري در سال 1930 معرفی و اقتصادي بودن آن ثابت شده است، مشروط به آنکه تونل انحراف را بتوان به عنوان مجراي افقی این سرریز استفاده کرد. براي مقاطع تنگ و بستر سنگی رودخانه معمولا از تونل براي انحراف آب رودخانه استفاده می شود. پس از پایان ساختمان سد تونل انحراف آب یا کاملا کور می شود و یا به سرریز براي انتقال سیلاب ها وصل می شود. شکل سرریز نیلوفري، در حقیقت ادامه پروفیل تاج دهانه ورودي سرریز لاله اي ممکن است دایره اي یا قسمتی از دایره باشد.

سازه این سرریز سد شامل سه قسمت اصلی است که عبارتند از : آبگیر، مجراي عمودي با یک زانوي 90 درجه و یک تونل تقریبا افقی. براي داشتن فشار اتمسفر در تمامی طول سرریز به منظور جلوگیري از خسارت ناشی از کاویتاسیون، هوا از طریق مجراي هواده در محل تبدیل بین مجراي عمودي و تونل افقی تأمین می شود. همچنین به منظور ایمنی در زمان سیلاب، داشتن جریان غیر مستغرق (آزاد) در سرریز لازم است، به طوري که جریان با سطح آزاد در تمامی قسمت هاي سرریز از آبگیر تا سازه استهلاك کننده انرژي، وجود داشته باشد. بنابراین ظرفیت هیدرولیکی مجراي عمودي و تونل افقی بیشتر از ظرفیت سازه آبگیر است.

سرریز نیلوفري را معمولا براي سد هاي با دبی طراحی کم تا متوسط، با مقدار حداکثر حدود 1000 متر مکعب در ثانیه استفاده می کنند. استفاده از این سرریز در وضعیتی که احتمال وقوع زلزله کم باشد و سرریز افقی را بتوان به مجراي انحرافی موجود متصل کرد و یا مقدار مواد شناور قابل توجه نباشد همچنین فضا براي ساخت سرریز مستقیم وجود ندارد و شرایط زمین شناسی از نظر نشت سازه مناسب باشد و مجراي انحرافی کوتاه را بتوان مهیا کرد توصیه می شود. چنین سازه اي مستعد براي ایجاد جریان هاي چرخشی در دهانه ورودي آن است که باید با انتخاب موقعیت مناسبی براي مجراي افقی، متناسب با توپوگرافی مخزن و محور سد از وقوع آن جلوگیري شود. این نوع سرریز ، به دلیل شباهت به گل نیلوفر که به شکل فنجان است، سرریز نیلوفري نیز می نامند.

شکل 3- سرریز نیلوفری

سرریز جانبی

سرریز با کانال جانبی یا سرریز جانبی ، سازه مرسومی است که از آن براي روگذري جریان استفاده می شود. محور کانال جانبی شامل سرریز مستقیم و مجرایی است که محور آن موازي تاج سرریز است در حالی که محور کانال پایین دست سرریز استاندارد مستقیم، عمود بر تاج سرریز است. سرریز جانبی جدا از سازه سد ساخته می شود و دبی عبوري از آن از طریق دره پایین دست به پایاب منتقل می شود در حالی که سرریز مستقیم معمولا در سازه سد تعبیه می شود. سرریز جانبی در اواخر سال 1930 در سد هوور در آمریکا با موفقیت استفاده شد. استفاده از این سرریز در مناطقی که استفاده از سرریز مستقیم عملی نیست، مانند سد هاي خاکی یا وقتی که موقعیت دیگري در کنار سد ارتباط بهتر و آسان تري را با حوضچه آرامش امکان پذیر می سازد، مناسب است. چنانچه طول تاج سرریز، عمود بر محور رودخانه، جوابگوي انتقال سیلاب نباشد، ممکن است سرریز جانبی مورد استفاده قرار بگیرد. دبی ویژه این سرریز با طول تاج بیشتر از 100 متر، معمولا به 10 متر مکعب در ثانیه محدود می شود.

سرریز سد از نوع جانبی ممکن است، با تونل انتقال آب یا با تند آب به جریان رودخانه پایین دست بپیوندد. تاکنون سرریزهاي جانبی متعددي در جهان ساخته شده است. باید توجه داشت که این نوع سرریز براي دبی هاي کم و متوسط مناسب است. همچنین این نوع سرریز در مناطقی که دره باریک است و عرض مناسبی براي ساخت سرریز مستقیم وجود ندارد و مشکلاتی مانند نیروهاي ناشی از برخورد آب به بستر و در نتیجه آب شستگی زیادي در سد هاي قوسی وجود دارد و شرایط توپوگرافی براي ساخت سرریز جانبی مناسب است و ساخت سرریز روي بدنه سد، مثل سد خاکی امکان پذیر نیست استفاده می شود. همچنین معمولا سرریز هاي جانبی به صورت دریچه دار ساخته نمی شوند و زمانی که تنظیم تراز مخزن اهمیت دارد، اغلب دریچه استوانه اي بهترین انتخاب است. سطح مقطع کانال هاي جانبی، مستطیلی شکل یا با هدف کاهش هزینه حفاري در سد هاي بزرگ، ذوزنقه اي شکل در نظر گرفته می شود.

شکل 4- سرریز جانبی

سرریز مستقیم یا اوجی

سرریز مستقیم (اوجی) بدلیل ساده بودن و امکان برقراري ارتباط مستقیم مخزن با پایاب، سرریز استانداردي است که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع سرریز را معمولا می توان در دو نوع سد قوسی و وزنی استفاده کرد. همچنین سدهاي خاکی و سرریزهاي مستقیم را، با توجه ویژه به مساله روگذري سد، می توان بصورت ترکیبی نیز بکار برد. در سرریز مستقیم ، به منظور تنظیم تراز مخزن و اصلاح جریان ورودي به سرریز، از دریچه ها و پایه هاي مربوطه استفاده می شود. براي انتقال آب از یک سطح به سطح پایین تر و در فاصله ي بسیار زیاد از تندآب استفاده می شو .

سرریزهاي دریچه دار متعددي با ارتفاع 20 متر و بیشتر و دبی 200 متر مکعب در ثانیه در واحد عرض ساخته شده است. بنابراین، این نوع سرریز براي سدهاي متوسط و بزرگ که در آنها سیل هایی با حجم زیادي باید به پایاب منتقل شود مناسب است. در این نوع سرریز ها لازم است توجه ویژه اي به کاویتاسیون معطوف شود، زیرا به علت ارتفاع هاي بسیار زیاد جریان و در نتیجه سرعت بالاي آن ممکن است موجب تولید فشار پایین تر از فشار بخار در محدوده تاج شود. تاج سرریز می تواند به شکل هاي مستقیم (استاندارد)، کنگره اي، منحنی یا چند ضلعی باشد که کنگره اي ظرفیت آب گذري بیشتري در مقایسه با سرریز هاي دیگر (براي عرض یکسان) دارد.

همچنین براي بدست آوردن جریان متقارن ورودي به سرریز، شکل پایه هاي بین دریچه باید با دقت کافی انتخاب شود. در سد ها در ابتداي تندآب سرریز OGEE ، سرریز جانبی و یا سرریز منقاري قرار می گیرد. در شبکه هاي آب یاري در ابتداي سرریز تندآب سرریز OGEE یا تبدیل قرار می گیرد. مسائل مهم این نوع سرریز ها تشکیل امواج تداخلی بلافاصله بعد از سرریز OGEE، تشکیل امواج انتقالی و وجود هوا در جریان آب در طول تندآب می باشد. باید توجه داشت که جریان در تمام طول سرریز می بایست فوق بحرانی بوده و در پایانه باید انرژي جنبشی مخرب آب به نحو شایسته گرفته شود.

قسمت پایین دست سرریز مستقیم ممکن است شکل هاي مختلفی داشته باشد. معمولا یک مجرایی (شوت یا تنداب) به تاج سرریز متصل می شود و به عنوان سازه انتقالی بین تاج سرریز و سازه استهلاك کننده انرژي عمل می کند. تندآب در سد هاي خاکی و در زمانی که خاك بستر رودخانه در مقابل فرسایش آبی مقاومت نداشته باشد مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین این سرریز را می توان فقط روي سد قوسی ساخت، در این حالت جریان عبوري از روي آن به پایاب می ریزد (در این حالت دیوار پایین دست سرریز، همان وجه پایین دست سد است).

سرریز متوالی یا پلکانی

در نوع دیگري از طراحی، از سرریز هاي متوالی (پلکانی) استفاده می شود که در آن، استهلاك انرژي از انتهاي تاج تا محل پایاب (در کل طول سرریز) صورت می گیرد.
در سرریز هاي پلکانی چند حوضچه آرامش پشت سرهم قرار می گیرند و بدین ترتیب از طول حوضچه آرامش می توان کاست و در زمانی که شیب براي احداث تندآب بسیار تند است ، براي انتقال آب از سرآب به پایاب از سرریز پلکانی استفاده می شود.

طرح استاندارد شامل سرریز همواري است که جریان را با سرعت زیاد یا مستقیما به حوضچه آرامش یا به جام پرتابی منتقل می کند. در حالت دوم با پرتاب شدن جریان به هوا و پخش شدن آن، کاهش آثار ناشی از برخورد آب به پایاب را شاهد خواهیم بود. در سال هاي اخیر در بعضی از سد هاي وزنی سرریز پلکانی بدون حوضچه آرامش و به صورت پله هاي معمولی ساخته شده است.

شکل 5- سرریز پلکانی

چنانچه بخواهیم 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 سد ها با کمک محاسبات هیدرولوژي حوزه آبریز رودخانه تا محل سد تعیین می شود. با استفاده از روش روندیابی سیل و با در نظر گرفتن اینکه مقداري از سیل در فاصله حجم رقوم هاي نرمال و ماکزیمم در مخزن سد مستهلک می شود، واریانت هاي مختلف براي سرریز در نظر می گیرند و ظرفیت عبوري سرریز به این صورت بهینه می شود.

معمولا دبی سیلاب براي سرریز سد بسته به موقعیت سد و درجه بندي آن و با استفاده از دوره بازگشت سیل تعیین می گردد. در سال هاي اخیر براي سد هاي درجه یک و یا سد هایی که در صورت خراب شدن ممکن است خسارات جانی و مالی فراوانی به بار آوردند حداکثر سیل محتمل در نظر گرفته می شود. براي سد هاي درجه دو و یا سد هایی که در صورت خراب شدن ممکن است خسارات مالی فراوانی به بار آید و خسارات جانی اندك باشد سیل هاي 10000 ساله و براي سد هاي درجه سه یا سد هایی که در اثر شکسته شدن خسارات مالی و جانی بسیار زیادي به بار نمی آورند سیل هاي 500 تا 1000 ساله و براي سدهاي انحرافی سیل هاي 50 تا 100 ساله در نظر گرفته می شود. 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 .

نتیجه گیري

ایمنی سد ها به طور اهم ارتباط مستقیم و تنگاتنگی با کفایت ظرفیت سر ریز دارد. بیشتر شکست سدها در اثر عبور آب از روي تاج آنها به وقوع می پیوندد که مهمترین عامل آن کافی نبودن ظرفیت سرریز است. عملکرد ایمن سرریزها، در شرایط غیر عادي، عامل مهمی در ایمنی سدهاست. به طور کلی مهمترین انواع سرریز در سد عبارتند از : سرریز OGEE، سرریز کنگره اي، سرریز لاله اي، سرریز جانبی، سرریز پلکانی و سرریز سیفونی. با توجه به این نکته که یکی از مهمترین موارد استفاده از سرریز در سازه سد جلوگیري از خسارات ناشی از وقوع سیل می باشد، باید با استفاده از محاسبات هیدرولوژي حوزه آبریز رودخانه تا محل سد ظرفیت سرریز یا دبی
عبوري جریان در سرریز سد را تعیین نمود تا در هنگام بارندگی هاي سیل آسا از خسارات وارده به سازه سد جلوگیري کنیم. پس از تعیین دبی طرح براي سرریز، می توان سرریز متناسب با آن دبی و با توجه به توپوگرافی مخزن را تعیین کرد.