شیب شکن مایل مستطیلی

گاهی در بخشی از مسیر انتخابی برای احداث کانال، شیب طبیعی زمین از شیب لازم برای کف کانال تندتر است که برای انتقال آب از سطح بالاتر باید از شیب شکن (Drop) استفاده کرد. شیب شکن باعث پراکنده ساختن انرژی اضافی در نتیجه سقوط آب نیز می شود. یکی از انواع شیب شکن ها، شیب شکن مایل مستطیلی (Rectangular Inclined Drops) است که برای مکان هایی به کار می رود که ارتفاع سقوط بین 0.9 تا 4.5 متر (3 تا 15 فوت) است و این سقوط باید در فاصله نسبتا کوتاهی اتفاق بیفتد.

شیب شکن مایل مستطیلی سازه مستطیل شکلی است با عرض ثابت که آب را از ارتفاع بالاتر به ارتفاع پایین تر منتقل می کند. در کانال های خاکی از این سازه در شرایطی استفاده می شود که اختلاف ارتفاع دو طرف سازه حداقل یک و حداکثر پنج متر باشد. در کانال های بتنی حداکثر ارتفاع برای کاربرد این سازه به 8 متر محدود شده است. سازه های ورودی شیب شکن، تبدیل از نوع بتنی است و در صورت نیاز به کنترل سطح آب در بالادست، می توان از سازه کنترلی نیز در ورودی استفاده کرد. در قسمت خروجی شیب شکن ها حوضچه آرامش به منظور تلف شدن انرژی اضافی احداث می شود.

اجزای شیب شکن مایل مستطیلی

اجزای اصلی شیب شکن مایل مستطیلی عبارت است از : تبدیل بالادست، سازه ورودی، مجرای شیب دار کوتاه، حوضچه آرامش، خروجی و تبدیل پایین دست.

تبدیل بالادست

تبدیل بالادست که در برخی منابع ممکن است آن را با نام رابط بالادست یا تبدیل ورودی مشاهده کنید، به منظور تغییرات تدریجی سرعت کانال به سازه شیب شکن احداث می شود. در صورت استفاده از ورودی کنترل، رقوم های کف کانال و کف شیب شکن یکسان است. در حالتی که از ورودی تنظیم کننده (Check Inlet) استفاده شود، در تبدیل ورودی باید یک تغییر تدریجی از رقوم کف کانال به قسمت بازشدگی سازه ایجاد شود. شیب کف از کانال به ورودی تنظیم نباید تندتر از 4:1 (4 در جهت افقی و 1 در جهت عمودی) در نظر گرفته شود.

سازه ورودی به شیب شکن

سازه ورودی به شیب شکن ممکن است یکی از انواع زیر باشد:

1. سازه کنترل و ورودی لوله (Control and Pipe Inlet): به دلیل افزایش شیب کف مجرای شیب شکن مستطیلی نسبت به کانال، عمق بحرانی در محل شروع مجرای مایل تشکیل و در پی آن منحنی M₂ ایجاد و به طرف بالادست امتداد می یابد. تشکیل منحنی M₂ نشان دهنده کاهش عمق آب و افزایش سرعت جریان در بالادست است. در شرایطی که کانال انتقال بدون پوشش و خاکی است و اگر به دلیل عدم نیاز به تنظیم آب در بالادست، هیچ گونه تاسیسات تنظیم سطح آب و یا دبی جریان در بالادست محل شیب شکن تعبیه نشده باشد، افزایش سرعت جریان در بالادست شیب شکن، موجب فرسایش کانال می شود. در چنین شرایطی، ورودی شیب شکن باید به گونه ای باشد که بتواند یک مقطع کنترل برای جلوگیری از ایجاد منحنی M₂ و به دنبال آن جلوگیری از فرسایش کانال بالادست ایجاد کند. سازه کنترل و ورودی لوله بدین منظور در ورودی شیب شکن ها در کانال های خاکی در نظر گرفته می شود.
2. سازه تنظیم کننده و ورودی لوله (Check and Pipe Inlet): سازه تنظیم کننده و ورودی لوله، به منظور برقراری رقوم سطح آب مورد نیاز برای آبگیرها، در شرایط وقوع دبی کمتر از دبی طراحی در کانال بالادست سازه شیب شکن، مورد استفاده قرار می گیرد. سازه تنظیم و ورودی لوله همچنین موجب جلوگیری از افتادگی سطح آب در بالادست شیب شکن می شود و از وقوع فرسایش در کانال های خاکی جلوگیری می کند. افزون بر این، در شرایط اضطراری که قطع جریان آب به طرف پایین دست و هدایت آن به طرف یک هرزآبرو مورد نظر است می توان از این سازه به این منظور استفاده کرد.

مجرای مایل مستطیلی

مجرای مایل مستطیلی برای انتقال جریان به پایین دست تعبیه می شود. عرض مجرای مایل با عرض حوضچه آرامش یکسان است و مقدار آن بر اساس توصیه های دفتر فنی عمران آمریکا برای دبی های برابر و کمتر از 3 متر مکعب در ثانیه از رابطه زیر محاسبه می شود. که در آن Q دبی بر حسب متر مکعب در ثانیه و b عرض مجرای مایل بر حسب متر است. ارتفاع عمودی دیواره های مجرا، برابر عمق آب به علاوه عمق آزاد (30 سانتی متر برای حداکثر دبی 3 متر مکعب در ثانیه) است و شیب مقطع مایل، 1.5 به 1 یا 2 به 1 (1.5 و 2 در جهت افقی و 1 در جهت عمودی) توصیه می شود. در صورتی که دبی جریان کمتر از 3 متر مکعب در ثانیه باشد، به منحنی اتصال (Trajectory) در شیب شکن مایل نیازی نیست.

سازه خروجی

سازه خروجی، مانند تبدیل نوع 1 (Broken Back) و یا انواع دیگر تبدیل ها، به منظور اتصال حوضچه آرامش با کانال پایین دست، احداث شده است و در شرایطی که کانال پایین دست فرسایش پذیر باشد. احداث این سازه موجب جلوگیری یا کاهش فرسایش می شود. بسته به نوع مصالح پی، در صورتی که سرعت در آب بند پایین دست، کمتر از حد بحرانی باشد می توان قسمتی از تبدیل را از جنس خاک در نظر گرفت و از سنگ چین حفاظتی برای کنترل فرسایش استفاده کرد.

نشت و آب شستگی

از آنجا که در شیب شکن ها اختلاف سطح آب در دو طرف آن ها زیاد است؛ نشت (Seepage) و پدیده آب شستگی (Piping) در این سازه ها باید به دقت بررسی و در صورت لزوم طوقه های آب بند به اندازه کافی در نظر گرفته شود. گفتنی است که دفتر فنی عمران آمریکا برای دبی های تا 3 متر مکعب در ثانیه و اختلاف ارتفاع حداکثر 4.5 متر اقدام به ارائه سازه های تیپ شیب شکن مایل، برای کانال های آبیاری و زهکشی به طور جداگانه کرده است. بدین منظور برای حالت هایی که مقادیر دبی و اختلاف ارتفاع بین دو طرف به طور همزمان یا جداگانه زیاد باشد؛ به دلیل افزایش نیروهای وارده بر کف حوضچه آرامش، دو لایه میل گرد فولادی در کف حوضچه و برای دیگر حالت ها، یک لایه میل گرد فولادی در کف حوضچه توصیه و بر این اساس کلیه سازه های تیپ، در دو گروه یک یا دو لایه میل گرد فولادی نصب شده در کف حوضچه آرامش، طبقه بندی شده اند. به عنوان مثال برای دبی 1.15 متر مکعب در ثانیه تا حداکثر ارتفاع 5 متر، دبی 1.4 متر مکعب در ثانیه تا حداکثر 4 متر، دبی 2 متر مکعب در ثانیه تا حداکثر ارتفاع 3.35 متر و دبی 3 متر مکعب در ثانیه تا حداکثر ارتفاع 2.7 متر، نوع یک لایه انتخاب شده و در صورت افزایش دبی برای حداکثر ارتفاع گفته شده یا افزایش ارتفاع شیب شکن برای دبی های گفته شده، نوع دو لایه میل گرد انتخاب می شود.