سیفون معکوس (Inverted Siphon) که در دسته بندی سازه های انتقال قرار می گیرد در واقع یک مجرای بسته به صورت تونل یا لوله است که برای انتقال آب از زیر زهکش ها، دره ها، گودی ها، آبراهه ها، زیرکانال ها یا جاده ها به صورت پر و تحت فشار کم مورد استفاده قرار می گیرد. سیفون معکوس دارای تبدیل های ورودی و خروجی است که به دو طرف تونل یا لوله متصل می شود. هزینه طرح و اجرای کمتر سیفون نسبت به سایر سازه های دیگر نظیر پل و کانال هوایی، مقرون به صرفه تر است. اما مشکلاتی نظیر رسوب گذاری، گرفتگی در اثر مواد معلق و زباله و خطرات جانی (به خصوص در مناطق با تراکم جمعیت زیاد)، باعث استقبال کم متخصصین نسبت به ساخت این سازه شده است. مجرای سیفون معکوس می تواند به صورت لوله یا Box مکعبی باشد، همچنین می توان از یک یا چند مجرا نیز استفاده کرد که اگر به صورت لوله باشد، معمولا از بتن پیش تنیده شده استفاده می کنند.
سرعت مجاز در طراحی: سرعت در سیفون باید به اندازه ای باشد که سرعت در تبدیل ها زیر بحرانی باشند؛ بدین منظور برای مجرای مربعی شکل از رابطه زیر استفاده می شود که در آن Vb سرعت متوسط جریان در مجرا و b طول ضلع مقطع جریان است:
تبدیل: تبدیل ها در قسمت ورودی موجب اضافه شدن سرعت آب و در 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. در این موارد باید در قسمت ورودی از تبدیل بتنی یا بعضی انواع ساختمان های کنترل کننده بتنی و در قسمت خروجی از تبدیل بتنی استفاده کرد:
- تمام تقاطع های خط آهن و اتوبان
- تمام تقاطع هایی که خط لوله در آن 36 اینچ یا بزرگتر باشد.
- تمام تقاطع هایی که سرعت آب در لوله بیشتر از یک متر در ثانیه باشد و به طرف یک کانال خاکی برود.
مسائل هیدرولیکی: سازه سیفون معکوس اگر مستغرق باشد، کنترل هیدرولیکی آن در پایین دست و اگر نباشد در بالادست خواهد بود. از مسائل مهم هیدرولیکی قابل طرح، یکسان بودن اختلاف ارتفاع بین ورودی و خروجی سیفون با میزان افت در طول مسیر است، زیرا در غیر این صورت مجموع افت ها از میزان پایین افتادگی (اختلاف ارتفاع) کمتر باشد، عمق آب در دهانه لوله پایین می آید که سبب فرسایش لوله خواهد شد. برای جلوگیری از این عمل می توان قطر لوله را کاهش داد یا این که در پروفیل مسیر کانال تغییراتی ایجاد کرد یا این که از چند مجرا به جای یک مجرا استفاده کرد تا در مواقع کم آبی از مجرای کمتری استفاده شود. همچنین اگر مجموع افت ها از میزان پایین افتادگی بیشتر باشد، عمق آب بالادست زیاد می شود که نهایتا آب در اطرف کانال و در نزدیکی ورودی دهانه سیفون سرریز می کند. برای جلوگیری از این عمل می توان قطر لوله را افزایش داد یا این که در پروفیل کانال تغییراتی ایجاد نمود تا ارتفاع لازم حاصل شود. برای تعیین میزان افت باید به نکات زیر توجه داشته باشید:
- برای تعیین افت باید مقدار افت در زانوها، افت در لوله، افت ورودی و خروجی را محاسبه کرد.
- ارتفاع قائم لوله بر اساس قطر لوله و زاویه قرارگیری لوله از رابطه زیر بدست می آید که در آن D قطر لوله و تتا زاویه قسمت اریب سیفون می باشد.
میزان استغراق: در سیفون های طولانی در صورت عدم وجود هوابند آبی اختلال در کار سیفون به وجود می آید که برای جلوگیری از آن از هوابند آبی استفاده می شود. حداکثر میزان استغراق دهانه لوله (Seal) 8 سانتی متر و معادل 3 اینچ است. بنابراین باید توجه کرد که میزان این استغراق حتما با میزان حدی آن کنترل شود. در سیفون های بلند با دبی زیاد میزان استغراق را حداقل 15 سانتی متر در نظر می گیریم.
سازه تخلیه: سازه تخلیه (Blow off Structure) در سیفون هایی با طول بیش از 800 متر برای تخلیه رسوبات آب و همچنین برای نظارت در پایین ترین نقطه سیفون یا نقطه ای نزدیک به آن احداث می شود. این سازه به صورت لوله ای فولادی که توسط یک شیر قطع و وصل جریان به سیفون متصل شده است طراحی می شود. این عمل در سیفون های کوچک توسط پمپاژ رسوبات از دو طرف سیفون امکان پذیر است. معمولا ورودی سازه تخلیه به صورت آدم رو (Manhole) است و برای سیفون های با قطر بیش از 0.9 متر برای این عمل معمولا یک چاهک در مقطع مورد نظر احداث می شود. درضمن، تخلیه رسوبات سیفون های بزرگ بوسیله ماشین آلات مخصوص صورت می گیرد.
مجرای تهویه: در دبی های کمتر از دبی طراحی هنگامی که سیفون کار می کند یا این که با ظرفیت طرح کار می کند، عملا مقدار اصطکاک کمتر از مقادیری است که در طراحی فرض شده است. بنابراین امکان تشکیل پرش هیدرولیکی در دهانه سیفون معکوس وجود خواهد داشت که در اثر ایجاد این عمل مقدار زیادی هوا به صورت حباب وارد جریان شده که آن را به صورت ناپایدار در می آورد و در اثر ترکیدن حباب ها خسارات زیادی به سازه سیفون وارد خواهد آمد. همچنین عمل پرش همیشه با امواج و تلاطم زیاد همراه است که می تواند وضعیت نامساعدی را برای سیفون به وجود آورد. بنابراین در سیفون های با جریان آزاد از سازه ای به نام مجرای تهویه که به صورت یک لوله است برای جلوگیری از ایجاد پرش هیدرولیکی (Blow Back) استفاده می شود و در نتیجه از محبوس شدن هوا و ایجاد کاویتاسیون، ممانعت می شود. برای محاسبه پرش به ازای 0.2 و 0.5 دبی طراحی عمق آب در دهانه ورودی به عنوان عمق اولیه پرش درنظر گرفته می شود. اگر وضعیت پرش به صورت نامطلوب تعیین شود، می توان با تغییر قطر یا در نظر گرفتن دو مجرا به جای یک مجرا مشکل را بر طرف کرد.
شیب کف در مجرا: شیب لوله در زانوهای سیفون نباید خیلی تند باشد. به طوری که حداکثر شیب لوله در قسمت مایل از 2 (افقی) به 1 (قائم) تجاوز نکند؛ همچنین سقف این شیب برای قسمت افقی حداقل 0.005 و حداکثر 0.5 است.
مجرای تخلیه هرز آب: Waste Way که معمولا در قسمت بالای سیفون احداث می شود برای تخلیه مواد شناور و همچنین منحرف کردن آب در موارد اضطراری یا هنگام تمیز کردن سیفون به کار می رود.
ارتفاع آزاد: Freeboard کانال در قسمت بالادست یک سیفون معکوس باید به اندازه 50 درصد ارتفاع آزاد کانال افزایش داده شود (حداکثر یک فوت) تا از آب بردگی در این قسمت که بر اثر جریان های سطحی زیاد ایجاد می شود جلوگیری شود. این افزایش ارتفاع تا فاصله 50 فوتی (15 متری) در بالادست ادامه می یابد.
