مفاهیم اولیه و طراحی کانال

سازه های انتقال آب، برای انتقال آب از منبع به محل مصرف (مزرعه، شهر) مورد استفاده قرار می گیرند. برای این منظور می توان از کانال باز و لوله استفاده کرد. در مواقعی که از کانال باز استفاده می کنیم معمولا به علت ناهمواری های سطح زمین، موانع و تاسیسات طبیعی و مصنوعی موجود لازم است، از ساختمان هایی برای عبور دادن آب در طول مسیر کانال نیز استفاده شود. ظرفیت طراحی برای یک کانال آبیاری بوسیله حداکثر آب مورد تقاضا تعیین می شود که به موارد زیر بستگی دارد:

1. مقدار سطحی که باید آبیاری شود (وسعت اراضی).
2. نوع محصولاتی که باید کشت شود (الگوی کشت).
3. تناوب یا سیستم تقاضا برای دهانه آبگیر مزرعه.
4. تلفات آب به واسطه تبخیر و نفوذ (تلفات تبخیر را 2 درصد از کل تلفات نشت در نظر می گیرند).
5. راندمان مورد انتظار در توزیع آب برای محصولات کشاورزی.

کانالی که به محل مصرف (مزرعه) ختم می شود؛ معمولا کانال باز درجه 4 محسوب می شود که ظرفیت طراحی آن بوسیله هیدرومدول آبیاری بر اساس تحت پوشش آن مشخص می شود که هیدرومدول آبیاری از فرمول زیر قابل محاسبه است. در رابطه زیر A مساحت، اِتا راندمان آبیاری، Q حجم آب (نیاز ناخالص آبیاری) و q هیدرومدول آبیاری است.

به دلیل تغییرات الگوی کشت و تراکم زراعی توسط زارعین و یا عدم آشنایی آن ها با شیوه های صحیح آبیاری و عوامل متعدد دیگر در اکثر مواقع هیدرومدول پیش بینی شده کمتر از هیدرومدول واقعی می شود، بنابراین برای تصحیح آن از یک ضریبی به نام ضریب انعصاف پذیری استفاده می شود که معمولا برای اراضی 100 هکتار و کمتر معادل 1.15 تا 3 و برای اراضی 1000 هکتار و بیشتر معادل 1 تا 1.5 در نظر گرفته می شود که در آن qd هیدرومدول طرح، Cf ضریب انعصاف پذیری و qi هیرومدول آبیاری است.

علاوه بر کانال باز و سازه های مرتبط با آن یک سری ساختمان های جانبی نظیر تونل ها، پل ها، خطوط انتقال نیرو و بهره برداری، شبکه پرورش ماهی و گذرگاه نردبانی عبوردهی ماهی (نربان ماهی) بعضا مورد احتیاج است. تونل در مکان هایی کاربرد دارد که انتقال آب از یک خط الراس یا تپه به وسیله آن اقتصادی تر از این راه جل ها باشد:

1. پمپاژ آب از روی مانع.
2. انتقال آب در طول دامنه تپه یا اطراف خط الراس.
3. ساختمان مقطع کانال احتیاج به خاکبرداری عمیق داشته باشد.

پل ها معمولا برای راه عبور و مرور از روی کانا هایی با دبی بیشتر از 100cfs مورد استفاده قرار می گیرند. شبکه پرورش ماهی و گذرگاه نربانی عبور ماهی نیز، ساختمان های مخصوصی هستند که تقریبا در نزدیک منابع تامین آب کانال قرار می گیرند. شبکه ها باعث جدا کردن ماهی از یک کانال می شوند، در صورتی که گذرگاه نردبانی به ماهی ها اجازه کوچ به انهار طبیعی را می دهد. شکل زیر نمونه ای است از یک گذرگاه نردبانی عبور ماهی.

بارها: بارهایی که ساختمان های روی کانال باید قادر به تحمل آن باشند شامل بار مرده وزن ها، بار زنده عاملین روی سکوهای بهره برداری، فشار های جانبی، فشار هیدرواستاتیک و فشار تحتانی (زیر فشار) و بار چرخ های وسایط (بار دینامیکی) نقلیه است. فشار جانبی شامل آب داخل کانال و فشار جانبی خاک است که برای پایداری سازه های آبی فشار موثر خاک در نظر گرفته می شود. ساختمان های استاندارد شده کانال از نظر ساختمانی طوری طراحی شده اند که در برابر فشارهای جانبی ناشی از خاک مرطوب مساوی 30 1b/ft^2 در هر فوت عمق و فشارهای جانبی ناشی از خاک اشباع برابر 85 1b/ft^2 در هر فوت عمق مقاومت دارند. نیروی زیر فشار یا همان فشار آب حفره ای (Uplift) که ممکن است به علت فرو نشست آب در زیر یا اطراف ساختمان آبی باشد، وزن موثر ساختمان را کاهش می دهد؛ بنابراین تاثیر معناداری در تجزیه و تحلیل پایداری دارد. بدین منظور از راهکارهایی مثل سوراخاب های شنی (Wheephole) در کف سازه و یا در محل سرریز و در سدهای انحرافی از Cut Off در بالادست سازه آبی استفاده می شود.

نکات طراحی کانال باز

با توجه به درجه آزادی بیشتر در کانال ها محاسبات طراحی آن ها نسبت به مجاری تحت فشار از پیچیدگی بیشتری برخوردار خواهد بود. طراحی مجراهای انتقال آب با سطح آزاد، شامل دو بخش هیدرولیکی و طرح سازه ای می باشد که باید به طور همزمان صورت گیرند. منظور از طرح های هیدرولیکی مجراها، تعیین مسیر و شکل مقطع آن هاست. چگونگی شکل مقطع مجرا، خود تحت تاثیر عوامل مختلفی چون ظرفیت، سرعت بهینه جریان، پایداری و نقطه نظر بهره برداری – نگهداری است.

ارتفاع آزاد (Freeboard): منظور از ارتفاع آزاد در مجاری رو باز بخشی از مجراست که بالاتر از تراز بیشینه آب پیش بینی شده است. عمق آزاد برای کانال های پوشش نشده معمولا 0.3 متر و برای کانال های فرعی کوچک با عمق جریان کم تا 1.2 متر برای کانال های با دبی 85 متر مکعب در ثانیه تغییر می کند.

شیب طولی: اصولا شیب کف کانال باز باید در حدی باشد که جریان در کانال به جز در موارد بسیار خاص، زیر بحرانی باشد. شیب کف کانال نیز باید در حدی باشد که سرعت آب در کانال باعث فرسایش و یا بر عکس آن، رسوب گذاری نشود. توجه داشته باشید که مقادیر شیب طولی عموما بین 0.00025 تا 0.0001 تغییر می کند.

شیب جانبی کانال: کانال های با مقطع مستطیلی علاوه بر سادگی محاسبات، فاقد اولویت های اجرایی و نگهداری هستند لذا تنها در مصالح سنگی با لایه ضخیم و گسترده از این مقطع استفاده می شود. مقطع مثلثی به علت ظرفیت انتقال پایین تنها در حاشیه آبراهه های خیابان ها کاربرد دارند. اما کانال های ذوزنقه ای از هر لحاظ مناسب هستند. به طور کلی شیب جانبی برای کانال هایی که درون زمین حفر می شوند، تندتر از شیب جانبی کانال های احداث شده روی خاکریز، در نظر گرفته می شود. در ضمن فراموش نکنید که شیب جانبی کانال های زهکش تندتر از شیب جانبی کانال های آبیاری انتخاب می شود.

بهترین مقطع هیدرولیکی: برای سطح مقطع جریان معین با مقادیر n، s و A ثابت، سرعت و دبی انتقالی کانال هنگامی حداکثر است که پیرامون خیس شده حداقل باشد. برای مقاطع ذوزنقه ای که در عمل بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند، بهترین مقطع هیدرولیکی (با شیب جانبی معین) زمانی حاصل می شود که نسبت عرض در کف و عمق آب به صورت رابطه زیر باشد. در صورتی که z هم به عنوان متغیر در نظر گرفته شود، بهترین مقطع هیدرولیکی زمانی حاصل می شود که z=cot60 باشد.

سرعت طراحی در کانال ها: حداقل سرعت مجاز در کانال ها از جوانب مختلف به این صورت بررسی می شود:

1. بر اساس ته نشین شدن رسوبات معلق در آب: بنا به تعریف، سرعت بهینه که سرعت مجاز هم به آن گفته می شود، در واقع سرعتی است که موجب رسوب گذاری و فرسایش نشود. ساده ترین شکلی که برای تعریف سرعت بهینه به زبان ریاضی وجود دارد رابطه کندی می باشد که برای کانال های با خاک بستر از نوع سیلت و ماسه کشور هندوستان است. رابطه ای که در اتنهای مقاله آمده است، فرمولی است اصلاحی برای تمامی بسترها که در آن V سرعت بهینه جریان، y عمق جریان، C ضریبی است تحت اثر ویژگی های بستر و x معرف وضعیت جریان به جهت وجود مواد معلق در آب است.
2. بر اساس رشد گیاهان آبزی: برای جلوگیری از رشد و نمو گیاهان آبزی سرعت متوسز جریان باید بین 0.5 الی 0.6 متر در ثانیه باشد.
3. بر اساس درجه یخبندان: چنان چه سرعت متوسط جریان بیش از 2 الی 3 متر در ثانیه باشد سطح آب یخ نمی بندد و به ازای سرعت متوسط حدود1.2 الی 1.5 متر در ثانیه یخ های ایجاد شده در سطح آب به حرکت در می آیند.