هرز آبرو ؛ سازه حفاظتی از تاسیسات آبی

هرز آبرو (Wasteway) از جمله سازه های حفاظتی هستند که به منظور تخلیه آب مازاد کانال و هدایت آن به مجراهای انتقال طبیعی و یا مصنوعی موجود در مجاورت کانال ها، مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین می توان از هرز آبرو ها برای نگهداری، تخلیه آب کانال در شرایط عدم نیاز فصلی، انجام بازرسی و یا در شرایط اضطراری، نظیر خرابی خاکریز بدنه کانال استفاده کرد. به طور کلی سازه های حفاظتی (Protective Structures) در مجاورت و بالادست سازه های تنظیم سطح آب و آبگیرها به منظور اهداف زیر مورد استفاده قرار می گیرند:

• حفظ کانال ها و سازه ها و تاسیسات مجاور آن ها از خسارات ناشی از سرریز جریان آب مازاد کنترل نشده در داخل کانال به بیرون از کانال.
• جلوگیری از فرسایش خاکریز کانال.
• جلوگیری از رسوب گذاری ناشی از منحنی برگشت آب و کاهش سرعت در کانال.

همچنین مجراهای انتقال دهنده جریان های حاصل از سیلاب ها یا آب های زهکشی، در محل تلاقی با کانال های اصلی، باید به طور کنترل شده ای از رو و یا از زیر کانال به طرف دیگر منتقل شوند. جریان های مازاد در داخل کانال نیز باید کنترل شوند تا از ایجاد خسارت به کانال و تخریب آن به دلیل عمق آب بیش از حد جلوگیری نماید. جریان های مازاد در یک بازه از کانال ها، از راه های زیر ایجاد می شوند:

• ورود جریان ها از تقاطع های زهکشی (Cross Drainage Structures) موجود در آن بازه.
• اشتباه در مقدار باز کردن دریچه ها در بالادست بازه یا عدم آبگیری کانال های انشعابی در بازه بالادست.
• از کار افتادن ایستگاه پمپاژ (Pumping Station) در بازه بالادست البته در صورت وجود.

سازه های هرز آبرو

سازه هرز آبرو از بخش های زیر تشکیل شده است:

1. سرریز جانبی (Side Spillway)
2. دریچه (Slide Gate)
3. مجرای هرز آبرو (Wasteway Channel)
4. و در خروجی آن بر حسب مورد می توان یک سازه شیب شکن یا تندآب احداث کرد.

سرریز جانبی برای تخلیه خودکار آب مازاد و دریچه برای تحلیه کامل کانال است. محل نصب هرز آبرو ها اغلب عمود بر کانال است، اما در انتهای کانال نیز به منظور تخلیه آب (البته آب مصرف نشده مد نظر است) به داخل زهکش مورد استفاده قرار می گیرند. برای این منظور می توان از یک سازه تنظیم و ورودی لوله (Check and Pipe Inlet) برای اهداف فوق، در انتهای کانال استفاده کرد. اما این سازه ممکن است در محل های دیگری نیز در امتداد کانال نصب شود. در این حالت باید یک مجرای کوتاه از کانال به سازه تنظیم و ورودی لوله احداث شود.

قسمت خروجی هرز آبرو باید به گونه ای باشد که انرژی مازاد جریان ورودی تلف و سازه در برابر فرسایش محافظت شود. بنابراین بر حسب شرایط موجود و بر حسب ویژگی های سازه ای مرتبط، باید از شیب شکن های عمودی، خروجی مانع دار، شیب شکن با کف مانع دار، یا حوضچه آرامش در ترکیب با شیب شکن یا تندآب استفاده کرد. پس از سازه هرز آبرو، یک کانال انتقال برای هدایت آب به زهکش طبیعی احداث می شود. طول این کانال کوتاه و گاهی نیز طویل است. عوامل زیر در تعیین موقعیت و تعداد سازه های هرز آبرو موثرند:

• هزینه کانال و هرز آبروها
• وجود یک زهکش طبیعی با ظرفیت و موقعیت مناسب برای تخلیه هرز آبرو.
• حجم و مقدار جریان سیلابی یا زهکشی که از راه ورودی های زهکش وارد کانال می شود.
• حجم موجود برای ذخیره ایمن آب در کانال یا مخازن تنظیم.
• زمان مورد نیاز برای بهره برداری دستی یا استفاده از سیستم کنترل از راه دور.
• مقدار خسارت وارده ناشی از تخریب خاکریز کانال.

ظرفیت سازه هرز آبرو تابع ظرفیت سازه آبگیری در بالادست و ایستگاه پمپاژ در پایین دست و یا بالادست است. به عنوان مثال، در صورتی که جریان مازاد از ورودی زهکش وارد کانال شود، ظرفیت سرریز سازه هرز آبرو حداکثر 20 درصد ظرفیت دبی کانال در نظر گرفته می شود. ولی اگر جریان مازاد، ناشی از بهره برداری نادرست از دریچه های آبیاری در بالادست باشد، ظرفیت بزرگ ترین دریچه و اگر جریان مازاد به دلیل از کار افتادن ایستگاه پمپاژ باشد، ظرفیت ایستگاه پمپاژ به علاوه ظرفیت ورودی از زهکش به عنوان ظرفیت سرریز در نظر گرفته می شود. این مقدار تا حدود 120 درصد ظرفیت طراحی کانال برای کانال های با دبی کمتر از 3 متر مکعب در ثانیه است.

ظرفیت دریچه هرز آبرو نیز برابر و یا بیشتر از ظرفیت طراحی کانال در نظر گرفته می شود، در حالی که ظرفیت خروجی هرز آبرو باید به گونه ای در نظر گرفته شود که همزمان دبی عبوری از روی سرریز و از راه دریچه را از خود عبور دهد. حال در این بخش با یکی از مهم ترین بخش ها این سازه یعنی سرریز با مجرای جانبی می پردازیم.

سرریز با مجرای جانبی

سرریز با مجرای جانبی در امتداد خاکریز کانال احداث شده و تاج سرریز موازی با محور مرکزی کانال است. در صورتی که سطح آب در کانال افزایش یابد، آب اضافی به صورت خودکار به داخل مجرای جانبی تخلیه و از آن جا وارد یک حوضچه می شود. در انتهای حوضچه یک لوله یا مجرای باز قرار دارد که جریان آب را به مجرای هرز آبرو منتقل می کند. برای تخلیه کامل کانال، یک دریچه کشویی همراه با سازه سرریز با مجرای جانبی نصب می شود. در شرایطی که احتمال وجود تنه درختان، آشغال و یخ در کانال باشد، سرریز ها سازه مناسبی برای تخلیه آن ها هستند.

معیارهای طراحی سرریز با مجرای جانبی: تاج سرریز به صورت افقی نصب شده و رقوم آن حدود 6 تا 10 سانتی متر بالاتر از رقوم نرمال سطح آب قرار داده می شود. ارتفاع آب روی سرریز به اندازه ای در نظر گرفته می شود که حداکثر 50 درصد از عمق آزاد بتنی یا 25 درصد از عمق آزاد خاکی در کانال غیر پوشش نشده، با آب اشغال شود. طول سرریز از رابطه زیر محاسبه می گردد که در آن Q دبی عبوری از روی سرریز بر حسب متر مکعب در ثانیه، H ارتفاع بار آبی روی سرریز بر حسب متر، L طول سرریز بر حسب متر و C ضریب جریان عبوری از روری سرریز است.

Q=CLH^1.5

دفتر فنی عمران آمریکا، مقدار ضریب جریان برای سرریز اضطراری را برابر 1.84 توصیه کرده است. مجرای جانبی به طور معمول دارای سطح مقطع مستطیلی شکل است. مطابق توصیه های دفتر فنی عمران آمریکا، برای دبی های برابر و یا کمتر از 3 متر مکعب در ثانیه، عرض مجرا در انتهای بالادست برابر 60 سانتی متر در نظر گرفته می شود که به تدریج به 120 در انتهای پایین دست افزایش می یابد. برای دبی های کمتر از 1.5، عرض در انتهای پایین دست، برابر 90 نیز توصیه می شود.

به منظور اطمینان از برقراری جریان آزاد از روی سرریز، سطح آب داخل مجرای جانبی باید پایین تر از رقوم تاج سرریز باشد. بدین منظور رقوم کف مجرای جانبی در انتهای پایین دست به اندازه حاصل جمع انرژی مخصوص و 30 سانتی متر، پایین تر از رقوم تاج سرریز قرارا داده می شود. با فرض وقوع عمق بحرانی در انتهای مجرای جانبی، انرژی مخصوص یک و نیم برابر عمق بحراین بوده و بنابراین حداقل ارتفاع دیوار، برابر مقدار زیر خواهد بود:

1.5d_c+30=حداقل ارتفاع دیوار

شیب کف مجرای جانبی باید به گونه ای باشد که جریان فوق بحرانی در آن ایجاد شود. برای احتیاط، این شیب، برابر 0.05 توصیه شده است. بنابراین ارتفاع دیوار سرریز بالادست، برابر ارتفاع آن در پایین دست، منهای 0.05 در L است.