بالاخره کالورت یا زیرگذر جاده؟ همه چیز از همین سوال آغاز شد. از دوره ای که برای کنکور کارشناسی ارشد مشغول درس خواندن بودم این سوال برایم حل نشده باقی مانده بود. در بعضی منابع کلمه کالورت (Culvert) را می دیدم و در برخی دیگر زیرگذر جاده (Road Crossing). کارکرد هر دو یکی بود ولی متفاوت بودن نام انگلیسی آن ها مرا دو به شک می کرد که شاید دو سازه متفاوت هستند و در هیچ منبعی، استفاده از هر دو نام را ندیده بودم. ولی در بحثی که با همکارانم (مهندس ازکیا و مهندس انزانی) داشتم به این نتیجه رسیدیم که هر دو، یکی هستند. به طور کلی چنان چه در مسیر آبرو یا خط القعری و به جهت ایجاد راه یا راه آهن از خاکریز استفاده شود، برای انتقال آب از یک سوی خاکریز به سمت دیگر آن، از کالورت ها یا آبروهای زیرزمینی استفاده می شود که در پایین ترین نقطه خط القعر ساخته می گردد.
کالورت ها اگر چه از نظر اجرایی ساده هستند اما طرح هیدرولیکی آن ها تا حدودی پیچیده و تابعی از عوامل مختلف است که به سادگی قابل تقسیم به جریان های تحت فشار یا آزاد نمی باشد بلکه در برخی موارد ترکیبی از این دو حالت را دارا خواهد بود. از نقطه نظر هیدرولیکی آن چه اهمیت دارد این است که آیا کالورت جریان را به صورت پر از خود عبور می دهد یا نیمه پر، به عنوان مثال حتی اگر عمق پایاب در خروجی کالورت کمتر از ارتفاع آن باشد و یا اصطلاحا کالورت غیر مستغرق باشد، بسته به این که ارتفاع آب در بالادست و نیز میزان افت انرژی چگونه باشد، ممکن است هر دو حالت پر یا نیمه پر اتفاق افتد. به عبارت دیگر عوامل مختلفی نظیر قطر (یا ابعاد مقطع)، طول و زبری کالورت، ارتفاع آب در بالادست و پایین دست و نیز شیب کالورت در چگونگی جریان در داخل آن موثر می باشند. اگر ورودی کالورت ها به گونه ای مناسب انتخاب گردد، یکی از مهم ترین پارامترهای تعیین کننده، طول آن خواهد بود و به همین جهت گاه نیز از نظر هیدرولیکی کالورت را طولانی خوانند، آن گاه که جریان را به صورت پر از خود عبور دهد و گاه آن را کوتاه خوانند که جریان را نیمه پر عبور دهد.
در کالورت ها مقدار دبی با اعمال معادلات پیوستگی و انرژی بین دو مقطع ابتدایی و انتهایی آن بدست می آید و بر حسب آن که شیب کالورت تند یا ملایم باشد، می تواند انواع متخلف جریان در داخل آن حاصل گردد (شکل زیر). چنان چه شیب کالورت تند و ثابت باشد امکان ایجاد جریان هایی بر حسب شرایط وجود خواهد داشت که در آن ها y1 عبارت است از ارتفاع سطح آب نسبت به کف کالورت در بالادست و D قطر کالورت یا بعد قائم آن می باشد. اگر عمق جریان در ابتدای کالورت معادل عمق بحرانی بوده و بر حسب آن که عمق پایاب در چه موقعیتی باشد، جریان می تواند به صورت آزاد یا پس از ایجاد یک پرش هیدرولیکی از کالورت خارج شود. در این صورت دبی بر اساس عمق بحرانی ابتدای سازه و ورودی آن تعیین می گردد. همچنین در مواردی اگر چه سطح آب در بالادست از تراز بالای کالورت بالاتر است، اما این اختلاف به گونه ای نیست که که کالورت به صورت پر عمل نماید. در صورتی که سطح پایاب بالاتر از سقف کالورت در انتها باشد پرش هیدرولیکی اتفاق خواهد افتاد و هر چه ارتفاع سر آب و پایاب بیشتر شده و یا مقاومت کالورت افزایش یابد، پرش به سمت بالادست حرکت خواهد نمود تا زمانی که به ورودی آن برسد. در این حالت ورودی کاملا مستغرق و کالورت به صورت کاملا پر عمل می نماید و دبی بر اساس مقاومت و افت انرژی کالورت و تراز آب در بالادست و پایین دست آن محاسبه می گردد.
Bodhaine در سال 1976 انواع جریان های موجود در کالورت های با شیب ثابت را به صورت شکل فوق نشان داد که مشخصات شش نوع جریان به همراه معادلات دبی برای هر یک، در آن آورده شده است. با توجه به نوع جریان و مشخصات معادله دبی آن (با توجه به شکل فوق) خواهیم داشت:
نکات طراحی کالورت ها
تبدیل های ورودی و خروجی: کاملا مشابه سیفون معکوس، تبدیل ها در قسمت ورودی این سازه موجب اضافه شدن سرعت آب و در قسمت خروجی موجب کاهش این سرعت می شوند، در ضمن افت ارتفاع را کاهش داده و در اثر تغییر تدریجی سرعت از فرسایش کانال جلوگیری می کنند.
مجرا: مجرای کالورت ممکن است به صورت مستقیم یا در مقاطع آن ها زانوهای قائم وجود داشته باشد که در هر یک کار سیفون معکوس، شیب شکن یا تندآب ها را انجام می دهند. مجرای با مقاطع طولی مستقیم طوری طراحی می شود که در هنگام عبور جریان یا فشار هیدرواستاتیکی داخلی وجود نداشته باشد یا بسیار کم باشد؛ یعنی خط شیب هیدرولیکی منطبق یا مجاور قسمت فوقانی لوله باشد. نکته: حداقل شیب مجرا 0.005 است.
سرعت: در صورتی که کالورت در یک مسیر خاکی ساخته شود سرعتی که در داخل لوله در نظر می گیریم حداکثر در حدود یک m/s خواهد بود و از آن جا قطر لوله محاسبه می شود. در صورتی که کانال خاکی باشد و در قسمت های ورودی و خروجی نیازی به تبدیل نباشد، حداکثر سرعت جریان همان یک m/s خواهد بود ولی باید به میزان چهار برابر قطر لوله و حداکثر 1.5 متر سنگ چین حفاظتی در کانال ایجاد کرد. همچنین اگر در مسیر کانال خاکی از تبدیل بتنی استفاده کنیم می توان سرعت مجاز در داخل لوله را تا یک و نیم m/s افزایش داد و سپس قطر لوله کالورت را محاسبه کرد. در تمام حالات فوق قطر لوله از رابطه زیر قابل محاسبه است. که در آن Q ظرفیت کانال و V سرعت در داخل لوله است.
محاسبات هیدرولیکی:
- حداقل ارتفاع پوشش خاک لازم برای لوله در زیر جاده یک متر (3 فوت) است که اگر کالورت از زیر جاده مزرعه عبور کند این میزان به اندازه 60 سانتی متر کاهش می یابد. همچنین اگر جاده دارای جوی های کناری باشد، ارتفاع این جوی ها تا لوله باید 60 سانتی متر باشد.
- در مقاطعی که دو کانال با یکدیگر طلاقی کنند نیز می توان از کالورت استفاده کرد، در این صورت فاصله بین کف کانال بالایی تا بالای لوله کالورت حدود 15 سانتی متر است.
- عرض جاده و شیب جانبی در تقاطع ها باید مناسب با عرض شیب جانبی جاده موجود باشد. شیب جانبی را نباید بیشتر از 1.5 به 1 در نظر گرفت.
- حداکثر اختلاف ارتفاع بین کف لوله و کف کانال در بالادست، یک دوم قطر لوله ای است که از رابطه فوق بدست آمده است و در غیر این صورت از سیفون معکوس استفاده می شود.
