آبراهه‌هاى غیرفرسایشى
کانال‌هائى که بدنه آنها با بتن یا مواد سخت دیگر ساخته شده باشد به‌نام کانال‌هاى غیرفرسایشى نامیده مى‌شوند. ابعاد این کانال‌ها بر اساس فرمول‌هاى جریان یکنواخت، و در نظر داشتن کارائى هیدرولیکى به‌دست مى‌آید. نمونه‌اى از این کانال‌ها در شکل (کانال پوشش شده ذوزنقه‌ای) و شکل (یک کانال با مقطع نیم‌دایره‌ای) نشان داده شده است.
حداقل سرعت مجاز
حداقل سرعت مجاز در کانال‌هاى غیرفرسایشى به سرعتى گفته مىشود که مى‌بایست در کانال تأمین شود تا مواد معلقى که همراه آب وجود دارند در کانال ته‌نشین نشوند. همچنین این سرعت اجازه ندهد جلبک‌ها و گیاهان آبزى مشابه د کانال استقرار یافته و رشد نمایند. رسوب سیلت و مواد معلق در کانال و یا رشد جلبک‌ها باعث مىشود که کانال از نظرسطح مقطع تغییر شکل بدهد و جریان آب از حالت یکنواخت خارج شود. تجربه نشان داده است که حداقل سرعت در کانال‌هاى غیرفرسایشى حدود ۶/۰ تا ۹/۰ متر در ثانیه است.
معادله مانینگ که سرعت آب توسط آن محاسبه مىشود نشان مى‌دهد که سرعت تابعى از شیب کف کانال است و چون شیب کانال بسته به شیب زمینى است که کانال درآن ساخته مىشود بنابر این مهندس طراح باید کنترل کند که آیا شیب زمین مى‌تواند چنان سرعتى را در کانال ایجاد کند از حداقل سرعت مجاز کمتر نباشد یا خیر؟
بهترین مقطع هیدرولیکى
معادله‌هاى تجربى که در طراحى کانال‌ها استفاده مىشود- مانند معادله مانینگ - مى‌بایست در ارتباط با توازن بین نیروهاى ثقلى که آب را به جلو حرکت مى‌دهد، و نیروهاى مقاومت بدنه کانال، که باعث کندى حرکت آب مىشود، باشد. کاراترین کانال از نظر انتقال آب کانالى است که به ازاء سطح مقطع مشخص کوچک‌ترین محیط خیش شده را داشته باشد. در هر شکل هندسى کاراترین کانالى که بتواند مقدار بیشترى آب را از خود عبور دهد بهترین مقطع هیدرولیکى گفته مىشود. در جدول (بهترین مقاطع هیدرولیکی) انواع مقاطع هندسى و پارامترهاى مربوط به بهترین مقطع هیدرولیکى آن نشان داده شده است.
در بین مقاطع مختلف نیم‌دایره بهترین شکل هیدرولیکى است اما چون ساخت آن در مزرعه مشکل است اکثراً کانال‌ها به‌شکل ذوزنقه که مشابه‌ترین شکل به نیم‌دایره مى‌باشد ساخته مى‌شوند. باید توجه داشت که اصل حداقل سرعت مجاز فقط در مورد کانال‌هاى غیرفرسایشى صادق است و طراحى کانال‌هاى فرسایشى مى‌بایست براساس حداکثر سرعت مجاز انجام شود.
ارتفاع آزاد
پس از اینکه ابعاد کانال براساس بهترین مقطع هیدرولیکى مشخص شد از نظر اطمینان باید عمق کانال را بیشتر از عقم آب درنظر گرفت. این مقدار اضافى را ارتفاع آزاد گویند. ارتفاع آزاد نباید به‌حدى باشد که باعث بالا رفتن هزینه‌هاى 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 ایالات متحده (USBR) بدست آمده و از نظر طراحى مى‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.
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)
yn = عمق نرمال آب در شرایط جریان یکنواخت
Q = دبى
محاسبه ابعاد کانال
در محاسبه ابعاد کانال معمولاً از معادله مانینگ استفاده مىشود. قدم اول در این راستا تخمین ضریب زبرى مانینگ (n) براساس موادى است که جنس کانال از آن ساخته شده است. قدم بعد انتخاب شیب کف کانال (S0) با توجه به توپوگرافى زمین و عملى بودن آن است. انتخاب دبى (Q) براساس نیاز آبیارى است که در بحث‌هاى قبل به آن اشاره شد با داشتن این سه عامل ضریب مقطع (SF) کانال (Section Factor) از فرمول (۸) محاسبه مىشود:
(معادله ۸): SF = A(Rn)2/3 = nQ/(so)1/2
با حل معادله (۸) عمق جریان (yn) به‌دست مى‌آید اما براى حل این معادله (۸) مى‌بایست از روش‌هاى آزمون و خطا مانند روش نیوتن سود جست. تخمین اولیه عمق آب و عرض کف در کانال‌هاى ذوزنقه‌اى از روش شکل (منحنى‌هاى تجربى به‌منظور تخمین اولیه عرض کف و عمق در کانال‌هاى ذوزنقه‌اى پوشش‌دار) توسط کارشناسان USBR تهیه شده است انجام یم‌شود. پس از اینکه ابعاد کانال محاسبه و در معادله ضریب شکل صدق کرد مى‌بایست از نظر حداقل سرعت مجاز نیز کنترل گردد. همچنین عمق آب در کانال بایستى از عقم بحرانى بزرگ‌تر باشد تا جریان به‌صورت زیر بحرانى باشد. معمولاً در طراحى‌ها مى‌بایست عدد فرود از ۸/۰ کمتر باشد (FN < 0.8).
آخرین مرحله پس از تعیین ابعاد و عمق کانال محاسبه ارتفاع آزاد و افزودن آن به ارتفاع کانال است.
آبراهه‌هاى فرسایشى
کانال‌هائى که بدون پوپ سخت در خاک‌هاى چسبنده معمولى حفر مى‌شوند به‌نام کانال‌هاى فرسایشى معروف هستند. پایدارى بدنه این کانال‌ها نیز مى‌بایست به‌نحوى تأمین شود تا کانال شکل و کشش خود را حفظ نماید. شکل (یک کانال فرسایشى بزرگ که در زمین معمولى حفر شده است) نمونه‌اى از یک کانال فرسایشى را نشان مى‌دهد. کانال‌هاى فرسایشى براساس حداکثر سرعت مجاز طراحى مىشود.
حداکثر سرعت مجاز
حداکثر سرعت مجاز سرعتى است که مى‌بایست در کانانل تأمین شود بدون اینکه بدنه کانال و کف آن را فرسایش دهد. در غیر اینصورت در اثر فرسایش مقطع کانال تغییر پیدا کرده و خصوصیات هیدرولیکى آن عوض مىشود. حداکثر سرعت مجاز براى خاک‌هایمختلف متفاوت است جدول (حداکثر سرعت مجاز A توصیه شده براى کانال‌هاى فرسایشى و مقادیر نیروى کششى واحد معادل آن t) مقادیر حداکثر سرعت مجاز و ضریب زبرى مانینگ را براى مواد مختلفى که بدنه کانال‌ها ممکن با آن سساخته شود که براساس تجربه به‌دست آمده نشان مى‌دهد. در این جدول یک ستون مربوط به آب زلال و ستون دیگر مربوط به آب گل‌آلود است.
به دلیل تعادل دینامیکى غلظت سیلت در جریان آب کانال‌هائى که آب گل‌آلود را انتقال مى‌دهند نسبت به آب زلال کمتر فرسایش مى‌پذیرند. به همین دلیل حداکثر سرعت مجاز در آب گل‌آلود بیشتر از آب زلال است.
در طراحى کانال‌هاى فرسایشى ابتدا مقدار n مانینگ و حداکثر سرعت مجاز انتخاب مىشود. این معیار مى‌بایست با توجه به نوع خاک تعیین شود سپس این ارقام را در معادله (۹) گذاشته و ضریب شکل نسبت به سرعت جریان (SFv) به‌صورت (۹)محاسبه مىشود.
(معادله ۹): SFv = (Rh)2/3 = ( nv )/(so)1/2
کانال‌هائى که بدنه آنها با بتن یا مواد سخت دیگر ساخته شده باشد به‌نام کانال‌هاى غیرفرسایشى نامیده مى‌شوند. ابعاد این کانال‌ها بر اساس فرمول‌هاى جریان یکنواخت، و در نظر داشتن کارائى هیدرولیکى به‌دست مى‌آید. نمونه‌اى از این کانال‌ها در شکل (کانال پوشش شده ذوزنقه‌ای) و شکل (یک کانال با مقطع نیم‌دایره‌ای) نشان داده شده است.
حداقل سرعت مجاز
حداقل سرعت مجاز در کانال‌هاى غیرفرسایشى به سرعتى گفته مىشود که مى‌بایست در کانال تأمین شود تا مواد معلقى که همراه آب وجود دارند در کانال ته‌نشین نشوند. همچنین این سرعت اجازه ندهد جلبک‌ها و گیاهان آبزى مشابه د کانال استقرار یافته و رشد نمایند. رسوب سیلت و مواد معلق در کانال و یا رشد جلبک‌ها باعث مىشود که کانال از نظرسطح مقطع تغییر شکل بدهد و جریان آب از حالت یکنواخت خارج شود. تجربه نشان داده است که حداقل سرعت در کانال‌هاى غیرفرسایشى حدود ۶/۰ تا ۹/۰ متر در ثانیه است.
معادله مانینگ که سرعت آب توسط آن محاسبه مىشود نشان مى‌دهد که سرعت تابعى از شیب کف کانال است و چون شیب کانال بسته به شیب زمینى است که کانال درآن ساخته مىشود بنابر این مهندس طراح باید کنترل کند که آیا شیب زمین مى‌تواند چنان سرعتى را در کانال ایجاد کند از حداقل سرعت مجاز کمتر نباشد یا خیر؟
بهترین مقطع هیدرولیکى
معادله‌هاى تجربى که در طراحى کانال‌ها استفاده مىشود- مانند معادله مانینگ - مى‌بایست در ارتباط با توازن بین نیروهاى ثقلى که آب را به جلو حرکت مى‌دهد، و نیروهاى مقاومت بدنه کانال، که باعث کندى حرکت آب مىشود، باشد. کاراترین کانال از نظر انتقال آب کانالى است که به ازاء سطح مقطع مشخص کوچک‌ترین محیط خیش شده را داشته باشد. در هر شکل هندسى کاراترین کانالى که بتواند مقدار بیشترى آب را از خود عبور دهد بهترین مقطع هیدرولیکى گفته مىشود. در جدول (بهترین مقاطع هیدرولیکی) انواع مقاطع هندسى و پارامترهاى مربوط به بهترین مقطع هیدرولیکى آن نشان داده شده است.
در بین مقاطع مختلف نیم‌دایره بهترین شکل هیدرولیکى است اما چون ساخت آن در مزرعه مشکل است اکثراً کانال‌ها به‌شکل ذوزنقه که مشابه‌ترین شکل به نیم‌دایره مى‌باشد ساخته مى‌شوند. باید توجه داشت که اصل حداقل سرعت مجاز فقط در مورد کانال‌هاى غیرفرسایشى صادق است و طراحى کانال‌هاى فرسایشى مى‌بایست براساس حداکثر سرعت مجاز انجام شود.
ارتفاع آزاد
پس از اینکه ابعاد کانال براساس بهترین مقطع هیدرولیکى مشخص شد از نظر اطمینان باید عمق کانال را بیشتر از عقم آب درنظر گرفت. این مقدار اضافى را ارتفاع آزاد گویند. ارتفاع آزاد نباید به‌حدى باشد که باعث بالا رفتن هزینه‌هاى 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 ایالات متحده (USBR) بدست آمده و از نظر طراحى مى‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.
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)
yn = عمق نرمال آب در شرایط جریان یکنواخت
Q = دبى
محاسبه ابعاد کانال
در محاسبه ابعاد کانال معمولاً از معادله مانینگ استفاده مىشود. قدم اول در این راستا تخمین ضریب زبرى مانینگ (n) براساس موادى است که جنس کانال از آن ساخته شده است. قدم بعد انتخاب شیب کف کانال (S0) با توجه به توپوگرافى زمین و عملى بودن آن است. انتخاب دبى (Q) براساس نیاز آبیارى است که در بحث‌هاى قبل به آن اشاره شد با داشتن این سه عامل ضریب مقطع (SF) کانال (Section Factor) از فرمول (۸) محاسبه مىشود:
(معادله ۸): SF = A(Rn)2/3 = nQ/(so)1/2
با حل معادله (۸) عمق جریان (yn) به‌دست مى‌آید اما براى حل این معادله (۸) مى‌بایست از روش‌هاى آزمون و خطا مانند روش نیوتن سود جست. تخمین اولیه عمق آب و عرض کف در کانال‌هاى ذوزنقه‌اى از روش شکل (منحنى‌هاى تجربى به‌منظور تخمین اولیه عرض کف و عمق در کانال‌هاى ذوزنقه‌اى پوشش‌دار) توسط کارشناسان USBR تهیه شده است انجام یم‌شود. پس از اینکه ابعاد کانال محاسبه و در معادله ضریب شکل صدق کرد مى‌بایست از نظر حداقل سرعت مجاز نیز کنترل گردد. همچنین عمق آب در کانال بایستى از عقم بحرانى بزرگ‌تر باشد تا جریان به‌صورت زیر بحرانى باشد. معمولاً در طراحى‌ها مى‌بایست عدد فرود از ۸/۰ کمتر باشد (FN < 0.8).
آخرین مرحله پس از تعیین ابعاد و عمق کانال محاسبه ارتفاع آزاد و افزودن آن به ارتفاع کانال است.
آبراهه‌هاى فرسایشى
کانال‌هائى که بدون پوپ سخت در خاک‌هاى چسبنده معمولى حفر مى‌شوند به‌نام کانال‌هاى فرسایشى معروف هستند. پایدارى بدنه این کانال‌ها نیز مى‌بایست به‌نحوى تأمین شود تا کانال شکل و کشش خود را حفظ نماید. شکل (یک کانال فرسایشى بزرگ که در زمین معمولى حفر شده است) نمونه‌اى از یک کانال فرسایشى را نشان مى‌دهد. کانال‌هاى فرسایشى براساس حداکثر سرعت مجاز طراحى مىشود.
حداکثر سرعت مجاز
حداکثر سرعت مجاز سرعتى است که مى‌بایست در کانانل تأمین شود بدون اینکه بدنه کانال و کف آن را فرسایش دهد. در غیر اینصورت در اثر فرسایش مقطع کانال تغییر پیدا کرده و خصوصیات هیدرولیکى آن عوض مىشود. حداکثر سرعت مجاز براى خاک‌هایمختلف متفاوت است جدول (حداکثر سرعت مجاز A توصیه شده براى کانال‌هاى فرسایشى و مقادیر نیروى کششى واحد معادل آن t) مقادیر حداکثر سرعت مجاز و ضریب زبرى مانینگ را براى مواد مختلفى که بدنه کانال‌ها ممکن با آن سساخته شود که براساس تجربه به‌دست آمده نشان مى‌دهد. در این جدول یک ستون مربوط به آب زلال و ستون دیگر مربوط به آب گل‌آلود است.
به دلیل تعادل دینامیکى غلظت سیلت در جریان آب کانال‌هائى که آب گل‌آلود را انتقال مى‌دهند نسبت به آب زلال کمتر فرسایش مى‌پذیرند. به همین دلیل حداکثر سرعت مجاز در آب گل‌آلود بیشتر از آب زلال است.
در طراحى کانال‌هاى فرسایشى ابتدا مقدار n مانینگ و حداکثر سرعت مجاز انتخاب مىشود. این معیار مى‌بایست با توجه به نوع خاک تعیین شود سپس این ارقام را در معادله (۹) گذاشته و ضریب شکل نسبت به سرعت جریان (SFv) به‌صورت (۹)محاسبه مىشود.
(معادله ۹): SFv = (Rh)2/3 = ( nv )/(so)1/2
دیدگاه ها