کانال های باز و مقاطع آن

در یک تعریف انواع کانال‌های باز شامل کانال‌های طبیعی و مصنوعی، فلوم (کانال پایه دار)، تند آبراه، شوت (کانال با شیب تند) و کالورت از انواع کانال‌هایی می‌باشند که می‌توان که در علم هیدرولیک نام برد. در مطالب گذشته به انواع جریان در کانال های باز پرداخته شد و در این مطلب به انواع سطح مقطع و انواع کانال باز خواهیم پرداخت.

انواع کانال باز

به‌طورکلی کانال باز به‌نوعی از مسیر جریان که دارای سطح آزاد آب است گفته می‌شود بر اساس اصل فوق و مبنای پیدایش به دو دسته کانال‌ها تقسیم‌بندی می‌گردند:

1. کانال‌های طبیعی (natural channel)
2. کانال‌های مصنوعی (artificial channel)

کانال‌های طبیعی

 به آن دسته از مجاری آب که به‌طور طبیعی در خط القعر یک حوضه آبگیر پدید می‌آید و عملاً به صورت زهکش طبیعی عمل می‌نمایند. از خواص عمده این مجاری، نامنظمی مسیر و سطح مقطع جریان رودخانه است. مطالعه این کانال‌ها تحت عنوان بررسی رودخانه‌ها یا River study مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

کانال‌های مصنوعی

به آن دسته از کانال‌هایی اطلاق می‌شود که به دست بشر و به‌منظور و هدف خاصی ساخته شده است. در این مورد می‌توان مثال‌های زیادی مانند هدایت آب از سدهای ذخیره‌ای به مزارع، استفاده از کانال‌ها برای ایجاد زهکش، کانال‌های بزرگ جهت کشتیرانی از جمله کانال‌های ساخته‌شده به دست بشر برای هدف خاص می‌باشد.

تقسیم‌بندی بر مبنای تغییرات در سطح مقطع کانال‌ها

۱) کانال‌های منشوری

کانال‌هایی هستند که در مسیرشان دارای سطح مقطع و شیب ثابت می‌باشد. کانال‌های مصنوعی عمدتاً منشوری هستند در این نوع کانال‌ها عمق جریان (depth of follow) و شیب (Slope) ثابت ساخته می‌شوند.

۲) کانال‌های غیر منشوری

کانال‌هایی هستند که در مسیر آن‌ها سطح مقطع و یا شیب کانال تغییر می‌کند. کانال‌های طبیعی حالت غیر منشوری داشته و در مسیر جریان سطح مقطع و شیب کانال دستخوش تغییرات می‌شوند.

تقسیم‌بندی بر اساس پایداری مصالح جداره آن‌ها

۱) کانال‌هایی با جداره ثابت

کانال‌هایی هستند که مصالح جداره آن‌ها ثابت و غیر متحرک می‌باشد. این کانال‌ها از مصالح سخت نظیر بتن، چوب، فلز و یا مصالح بنایی ساخته می‌شوند.

۲) کانال‌هایی با جداره متحرک

 در مقایسه با کانال‌هایی با جداره ثابت می‌توان کانال‌های مصنوعی و یا طبیعی را در نظر گرفت که در تشکیلات آبرفتی جریان دارند و درنتیجه جداره این کانال‌ها از ذرات رسوبی تشکیل یافته است و ذرات این قابلیت را دارند تا تحت تأثیر جریان آب به حرکت درآیند.

در شرایط مختلف کانال‌های باز نام‌های گوناگون به خود می‌گیرند که شرح و بررسی آن ضروری است:

۱-کانال: معمولاً به مسیری از جریان گفته می‌شود که طول آن زیاد، شیب آن کم یا ملایم و یا آرام باشد.

۲-نهر پایه (Flume): به کانال‌هایی اطلاق می‌گردد که از چوب، فلز، بتن یا مصالح ساختمانی دیگر ساخته‌شده باشد. این کانال‌ها معمولاً از سطح زمین بالاتر بنا می‌شوند و طبیعتاً طول آن‌ها زیاد نیست، از نهر پایه برای انتقال آب از یک طرف خط القعر به طرف دیگر آن استفاده می‌شود.

۳-تندآبراه (Chute): از جمله کانال‌های بازی است که به‌طورمعمول طول آن‌ها زیاد نیست ولی شیب این کانال‌ها زیاد است.

۴-شیب شکن (Drop): این کانال‌ها شبیه تند آبراه هستند که تغییر در ارتفاع کف کانال در یک فاصله خیلی کوتاه اتفاق می‌افتد.

۵-آب رو (Culvert): این کانال‌ها از نوعی مجاری آب است که در زیر راه، بزرگ‌راه، راه‌آهن برای انتقال آب ازیک‌طرف جاده به طرف دیگر به کار می‌رود. تونل آبی که شبیه تونل برای ارتباطات است، به‌منظور عبور آب از قسمت‌های تپه‌ماهوری و کوهستانی به کار می‌روند. ساختمان این مجاری در زیر زمین یا از سوراخ کردن کوه و گذشتن از موانع دیگر درست می‌شود.

انواع سطح مقطع هیدرولیکی و اجزاء آن

در حالت کلی اگر سطح مقطع جریان در کانال باز مشخص باشد، بهترین سطح مقطع هیدرولیکی، هنگامی است که شعاع هیدرولیکی (R_h) ماکسیمم شود و یا به عبارت دیگر، محیط‌تر شونده (P) به مقدار حداقل برسد. بر اساس رابطه زیر می‌توان این بحث را توجیه کرد:

شکلی که نسبت محیط به مساحت آن مینیمم باشد، دایره است. در نتیجه، براساس مقاومت جریان مینیمم، بهترین سطح مقطع برای جریان در کانال باز، یک نیم‌دایره خواهد بود. از آنجایی که ساختن یک کانال با دیواره‌های صاف، هزینه‌های کمتری به دنبال دارد. بدین منظور باید به‌جای سطح مقطع نیم‌دایره از اشکال هندسی همچون مستطیل و ذوزنقه استفاده کرد.

معمول‌ترین شکل سطح مقطع که برای کانال‌های آبیاری به کار می‌رود، ذوزنقه است. علت این است که شیب کناره کانال باعث ایجاد پایداری در کانال‌های خاکی یا غیرخاکی ذوزنقه‌ای می‌شود. ساختمان این کانال ساده و در هر محلی عملی است.

در مقاطع مستطیلی به علت عمود بودن دیواره‌ها معمولاً با مصالح ساختمانی سخت ساخته می‌شود. این کانال‌ها برای انتقال آب خیابان‌ها و یا در طرح‌های آبی و آبیاری استفاده می‌شود.

کانال‌های مثلثی معمولاً برای انتقال مقدار کم آب در حاشیه خیابان‌ها، جاده‌ها یا کارهای آزمایشگاهی به کار می‌رود.

کانال‌هایی با مقطع دایره برای آب‌روها (Culvert) و لوله‌های فاضلاب با مقادیر کم و متوسط آب کاربرد دارد.

کانال‌های نیم دایره‌ای (سهموی) را به علت پایداری در بستر طبیعی خاک می‌سازند. این نوع کانال‌ها با اندازه‌های کوچک و متوسط به کار می‌رود.

جدول زیر مقایسه مقاطع هیدرولیکی مختلف و پارامترهای آن را نشان می‌دهد: