انواع شیب شکن و کاربرد آن ها

یکی از مشکلات مهمی که در رودخانه ها به وجود می آید، مساله فرسایش کف خصوصا در بازه های با شیب تند و در پایین دست پل ها می باشد. به طوری که سبب به وجود آمدن خسارات قابل توجهی به تاسیسات حفاظتی و فنی موجود در رودخانه می شود. روش های مختلفی برای تثبیت بستر رودخانه ها و مقاوم سازی آن ها در برابر این معضل مهم وجود دارد. از جمله این روش ها، احداث شیب شکن می باشد. شیب شکن در واقع سازه ای است که به صورت آبشار قائم و یا مایل و با ارتفاع کمی از کف بستر، در عرض رودخانه ساخته می شود. در اکثر موارد به منظور آرام نمودن جریان، در پایین دست شیب شکن ها نیز حوضچه آرامش ساخته می شود.

شیب شکن ها از جمله متداول ترین سازه های هیدرولیکی مستهلک کننده ی انرژی هستند که در شبکه های آبیاری و زهکشی، آبراهه های فرسایش پذیر، سیستم های تصفیه ی آب و جمع آوری و دفع فاضلاب استفاده می شوند. احداث شیب شکن یکی از روش های متداول در کاهش فرآیند فرسایش و گودافتادگی بستر می باشد که باعث افزایش سطح آب و کاهش شیب انرژی و در نهایت تثبیت بستر در حد معینی می گردد که نهایتا موجبات افت پتانسیل انتقال و برقراری حالت تعادل را فراهم می آورد. این سازه ها با توجه به توپوگرافی زمین و با هدف انتقال آب از یک ارتفاع بالاتر به پایین تر، کاهش انرژی جنبشی ناشی از سقوط آب و اعمال سرعت بهینه درکانال ها و شبکه های آبیاری و زهکشی به کار می روند. از شیب شکن ها همچنین در تصفیه خانه های آب و فاضلاب برای هوادهی طبیعی جریان استفاده می شود.

انواع شیب شکن

شیب شکن های مورد استفاده در تثبیت بستر معمولا به سه دسته شیب شکن های قائم، شیب شکن های مایل و شیب شکن های لوله ای تقسیم بندی می شوند. شیب شکن های قائم معمولا برای اختلاف ارتفاع تا ۵/۱ متر و شیب شکن های مایل و لوله ای برای اختلاف ارتفاع تا ۵ متر به کار گرفته می شوند. به طور کلی در طرح های ثبیت کننده بستر رودخانه ها تنها از شیب شکن های قائم و یا مایل استفاده می شود و شیب شکن های لوله ای در کانال های انتقال آب و آبیاری مورد استفاده قرار می گیرند.

این سازه ها با توجه به توپوگرافی زمین برای انتقال آب از یک ارتفاع بالاتر به پایین تر، کاهش انرژی جنبشی ناشی از سقوط آب و اعمال سرعت بهینه درکانال ها و شبکه های آبیاری و زه کشی به کار می روند. جریان در بالادست شیب شکن ممکن است زیربحرانی یا فوق بحرانی باشد. در حالت جریان زیربحرانی در بالادست، عمق جریان در حوالی لبه ی شیب شکن، بحرانی می شود و پس از جاری شدن به پایین دست شیب شکن، جریان حالت فوق بحرانی پیدا می کند و اگر جریان بالادست شیب شکن فوق بحرانی باشد، رفتار آب به صورت جت آبی خواهد بود.

شیب شکن قائم

در طراحی شیب شکن های قائم با توجه به حرکت توده جریان، باید مجرای هوا نیز در نظر گرفته شود. شیب شکن های قائم خود به شیب شکن های معمولی (مستقیم)، شیب شکن نوع Sarda ، شیب شکن نوعYMGT و شیب شکن با سرریز مستطیلی  همراه با تاج بالارونده تقسیم می شوند. شیب شکن های مستقیم متداول ترین نوع شیب شکن های قائم هستند. شکل زیر نمایی کلی از چگونگی طراحی شیب شکن های مستقیم را نشان می دهد.

– در شرایطی که تراز سطح آب در پایین دست سازه یا TWL بزرگ تر از عمق ثانویه پرش هیدرولیکی باشد، شیب شکن با حوضچه از نوع بلوک ضربه ای USBR مناسب است. نمای کلی از طراحی این نوع شیب شکن در شکل زیر مشاهده می شود.

– در شیب شکن قائم نوع Sarda، به دلیل وجود یک تاج بالارونده، ریزش آب به صورت عمودی بوده و شامل دیواره تاج، دیواره های بالی بالادست و پایین دست، یک کف نفوذناپذیر و یک مخزن می باشد . در این نوع شیب شکن طول تاج معادل با عرض بستر آبراهه در نظر گرفته می شود و همچنین تنگ شدگی به وجود آمده در مقطع آبراهه هزینه های ساخت و ساز شیب شکن را کاهش می دهد. این در حالی است که مقطع یک آبراهه بیش از ۵۰ درصد تنگ نمی گردد. چنین شیب شکنی مانع ایجاد خفگی در بالادست شیب شکن می شود. در این نوع شیب شکن همواره تراز تاج باید بدون تغییر و ثابت باقی بماند تا مانع ایجاد تغییرات در تراز سطح آب بالادست گردد. شکل زیر نشان دهنده این نوع شیب شکن است:

– شیب شکن از نوع YMGT در مقاطع تنگ شده نظیر آبراهه های کوچک، کانال های آبیاری مزارع و غیره که دارای حداکثر دبی معادل ۱ مترمکعب می باشند، مناسب است.

– شیب شکن با سرریز مستطیلی همراه با تاج بالارونده برای شرایطی که عرض بستر آبراهه بین ۲/۰-۱ متر و عمق جریان ۱/۰-۷/۰ متر باشد طراحی شده اند.

شیب شکن مایل

این نوع شیب شکن دارای انواع مختلفی از جمله شوت معمولی، شیب شکن مایل با ریزش تند آب و شیب شکن از نوع آبشاری یا پله پله می باشد. شیب شکن های مایل دارای مقطع مستطیلی هستند و برای دبی های ۴/۱ تا ۸/۲ مترمکعب بر ثانیه مورد استفاده قرار می گیرد. این شیب شکن ها از تبدیل ورودی، ناحیه افقی ورودی، شیب مایل و تبدیل در انتهای سازه تشکیل شده است.

لازم به ذکر است که تبدیل ناحیه ورودی ممکن است خاکی باشد که در این صورت باید از آن در مقابل فرسایش حفاظت نمود. شیب شکن از بتن مسلح ساخته می شود. مقطع کنترل سطح آب می تواند به صورت مقطع کنترل ذوزنقه ای، سرریز و یا به صورت دریچه کنترل باشد، اما در این نوع شیب شکن ها معمولا از مقطع کنترل ذوزنقه ای استفاده می گردد. این مقطع ذوزنقه ای به نحوی طراحی می شود که به ازای ۲۰ درصد دبی طرح تا یک برابر  دبی، سطح آب در بالادست پایین نیافتد.

شیب شکن ها معمولا از بتن ساخته می شوند ولی مانند سرریزها می توان با توجه به شرایط طرح از مصالح خاکی یا سنگی یا تورسنگی نیز استفاده نمود.

طراحی شیب شکن ها

طراحی شیب شکن ها با استفاده از روشی موسوم به شماره شیب شکن یا Drop number که اولین بار توسطRand مطرح شد، استفاده می شود. مسائل پایداری و هیدرولیکی در طراحی شیب شکن ها مانند سدها بوده و در نظر گرفتن مواردی چون سازه های تنظیمی یا کنترل جریان بر روی آن ها به منظور آبگیری از بالادست و یا به حداقل رساندن پایین افتادگی سطح آب که در مهار فرسایش آبراهه نقش به سزایی دارد، از اهمیت خاصی برخوردار است.

درصورتی که در پایین دست شیب شکن، آبراهه از نوع فرسایش پذیر باشد، حفاظت بستر آبراهه در مقابل فرسایش مطرح می گردد. معمولا حفاظت به صورت سنگ چین در نظر گرفته می شود. طول ناحیه حفاظت شده را معمولا ۴ برابر عمق آب در آبراهه در نظر می گیرند. معمولادر قسمت خروجی شیب شکن ها حوضچه آرامش به منظور تلف شدن انرژی اضافی احداث می شود.