آشنایی با تبدیل و انواع آن

در مجاری روباز در برخی موارد به طور مثال در طراحی پل‌ها، ناوها و سیفون‌ها، شیب شکن‌ها و تند آب‌ها، تنظیم کننده‌های بار آبی و تعداد زیادی از سازه‌های هیدرولیکی مشابه به دلیل ملاحظات اقتصادی و کاهش هزینه‌های اجرایی باید مقطع جریان محدود شود و سطح مقطع ارزیابی اولیه کاهش یابد. در این موارد باید از تبدیل مناسب برای کنترل یا حداقل کردن تلفات انرژی و نیز برای جلوگیری از افزایش هزینه‌های نگهداری ناشی از فرسایش بستر و دیواره‌های کانال استفاده شود.

نقش تبدیل در کانال، ایجاد یک تغییر تدریجی در مقطع عرضی و به دنبال آن تغییر شکل جریان از یک حالت یکنواخت به حالت یکنواخت دیگر در طول کوتاهی از کانال است. در طول تبدیل جریان از یک حالت جریان متغیر همراه با نیروی شتاب دهنده که غالب‌اند، وجود دارد. تبدیل‌ها موجب حذف موج‌های عرضی و اغتشاشات شده در نتیجه افت انرژی را کاهش می‌دهند.

درنتیجه و طبق تعریف، تبدیل سازه هیدرولیکی است که به منظور انتقال آرام جریان از یک کانال به کانال دیگر با سطح مقطع متفاوت و از یک کانال به کالورت یا بالعکس و یا از یک کانال به سیفون معکوس و بالعکس احداث می‌گردد. ساختمان تبدیل، سیستمی است که سطح مقطع جریان را به طور تدریجی به شکل مطلوب تغییر می‌دهد.

چنانچه هیچ گونه سازه­ای بین دو کانال احداث نشود جریان آب در نزدیکی‌های تقاطع از مرزهای خود جدا شده که همراه با آشفتگی جریان خواهد بود و موجب اتلاف انرژی کاهش سطح مقطع جریان و کم شدن عبور دبی می‌شود این عوامل باعث بالا آمدن آب در کانال بالا دست شده و ممکن است آب از کانال سریز و ایجاد خسارت کند.

اهداف احداث تبدیل:

-آرام کردن جریان

-کاهش افت انرژی

-حداقل نمودن فرسایش در کانال

-کاهش ارتفاع سطح آب جمع شده در پشت سازه‌های قطع کننده یک مجرای آب

-ایجاد پایداری بیشتر در سازه‌های مجاور به علت افزایش مقاومت به نشت آب از زیر سازه

-نگهداری خاکریز انتهایی سازه

انواع تبدیل:

تبدیل‌ها به دو نوع کلی تبدیل‌های ورودی یا جمع شونده و تبدیل خروجی یا بازشونده تقسیم می‌شوند. به طور کلی چنانچه تبدیل از سطح مقطع بزرگ سطح مقطع کوچک باشد آن­ را تبدیل ورودی یا همگرا و در صورتی که تبدیل از سطح مقطع کوچک به بزرگ باشد آن را تبدیل خروجی یا واگرا می‌نامند.

انواع تبدیل‌های ارائه شده توسط دفتر فنی عمران و آمریکا:

الف) تبدیل در سازه‌های مسیر کانال

– تبدیل با بدنه اوریب به فرم خطوط جریان

– تبدیل مستقیم با بدنه اریب

-تبدیل نوع ۱ یا بال شکسته

-تبدیل نوع ۵ که در محل اتصال یک کانال بتنی به یک سازه لوله‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ب) تبدیل در سازه‌های لوله‌ای تقاطع زهکش‌ها

در صورتی که کانال زهکش طبیعی دارای مقطع عرضی با هندسه به طور کامل مشخص از تبدیل نوع یک استفاده می‌شود. در زهکش­های تا حدی عریض که مقطع عرضی آن­ها شکل منظمی ندارند انواع تبدیل‌های نوع ۲ و ۳ و ۴ مناسب‌تر هستند.

تبدیل‌های استاندارد

تبدیل نوع ۱: این نوع تبدیل به طور گسترده در ورودی و خروجی سازه‌های انتقال آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تبدیل نوع ۲: این نوع تبدیل در سازه‌های تقاطعی با زهکش‌های مورد استفاده قرار می‌گیرد که در آنها سطح آب در خروجی به طور چشم­گیری پایین‌تر از کف مجرا در دیوار بالادست ورودی بوده، جریان عبوری از لوله آزاد است. اندازه لوله با فرض سرعت جریان برابر با ۳ متر در ثانیه برای جلوگیری از فرسایش در ورودی، رقوم کف در محل آب­بند تبدیل برابر با رقوم کف زمین در حالت طبیعی در نظر گرفته می‌شود. برای فراهم کردن عمق آزاد کانال در ورودی در شرایط دبی طراحی باید حداقل ۶۰ سانتی‌متر پایین‌تر از لبه خاکریز کانال باشد.

تبدیل نوع ۳: این نوع تبدیل برای دبی‌های ۴۵۰ تا ۲۰۰۰ لیتر در ثانیه و لوله به قطر ۶۰ الی ۹۰ سانتیمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. سرعت جریان در حالت لوله پر برای لوله‌های ۶۰ سانتی­متر برابر ۱٫۵ متر در ثانیه و برای لوله‌های بزرگتر به ۳ متر در ثانیه افزایش می‌یابد. برای فراهم کردن عمق آزاد کافی در کانال سطح آب در ورودی در شرایط دبی طراحی باید حداقل ۶۰ سانتی­متر پایین‌تر از لبه خاکریز کانال باشد.

تبدیل نوع ۵: این نوع تبدیل بسیار ساده بوده و فقط پوشش بتنی کانال را به مقطع بتنی ورودی یا خروجی متصل می‌کند. از این نوع تبدیل در شرایطی استفاده می‌شود که افت بار حداقل، عامل تعیین کننده نباشد. به دلیل ملاحظات پایداری دیواره بالا دست حداقل قطر لوله مورد استفاده در تبدیل نوع ۵، ۹۰ سانتی متر توصیه شده است. در این نوع تبدیل محاسبه اندازه لوله بر اساس سرعت۱٫۵ متر در ثانیه انجام و طول تبدیل نیز سه برابر قطر لوله یا حداقل ۱٫۵ متر توصیه شده است. لبه بالای لوله در ورودی باید حداقل ۱٫۵ برابر ارتفاع معادل سرعت در لوله مستغرق بوده و در خروجی مقدار استغراق به‌گونه‌ای باشد که موجب برقراری جریان آزاد شود.

طراحی تبدیل‌ها:

به‌طورکلی طراحی تبدیل بایستی بر این مبنا باشد که جریان آب در طول سازه یا زیربحرانی و یا فوق بحرانی باشد. جریان نباید در محدوده بحرانی یعنی عدد فرود حوالی یک قرار گیرد زیرا چنانچه در طول تبدیل انرژی پتانسیل تغییر کوچکی نماید نوع جریان تغییر کرده و سبب تلاطم در سطح آب می‌شود که افت اضافی به وجود آورده و ممکن است فرسایش کانال به‌خصوص در کانال‌های خاکی را سبب شود. نکته دیگر در طراحی تبدیل این است که طراحی تبدیل بر اساس دبی طرح صورت می‌گیرد و عمق نرمال در کانال بالا و پایین‌دست به‌عنوان مبنا در محاسبات منظور می‌شود. تحت شرایط مختلف سطح آب در طول تبدیل می‌بایستی ثابت بماند در غیر آن صورت با بالا و پایین آوردن کم سطح مقطع تبدیل را آن‌چنان تغییر می‌دهیم تا این هدف حاصل شود.

 پس از طراحی تبدیل بهتر است شرایط جریان را در طول تبدیل برای دبی‌های کم‌تر از دبی طرح نیز بررسی نمود. قبل از طراحی تبدیل اطلاعاتی نظیر دبی طرح، سرعت عمق نرمال و عمق بحرانی در کانال بالا و پایین‌دست باید مشخص گردد و کف کانال بالادست در ابتدای تبدیل نیز باید مشخص شود سپس نوع تبدیل مشخص شده و طراحی انجام می‌گیرد.

محاسبات هیدرولیکی طراحی تبدیل‌ها محاسبات هیدرولیکی لازم جهت طراحی تبدیل شامل محاسبه استغراق لوله در ورودی و خروجی، افت بارها در ورودی و خروجی کانال، زاویه سطح آب و محور تبدیل، فرسایش کانال و انتخاب سازه مناسب برای خروجی دیوارهای سپری و غیره است.