مقاله تحلیلی:‌ عملکرد سرریزها

ما معمولاً سدها را برای نگه‌داشتن آب و ذخیره آن به‌منظور تأمین آب، آبیاری، برقابی یا کنترل سیل می‌سازیم؛ اما گاهی باید اجازه بدهیم بخشی از آب تخلیه شود. چه این آب را در پایین‌دست لازم داشته باشیم و چه آب پشت سد خیلی زیاد باشد و جایی برای ذخیره آب وجود نداشته باشد، تقریباً هر سدی نیاز به سرریز برای تخلیه ایمن آب دارد.

برای درک سرریزها باید با هیدرولوژی شروع کنیم. باید تغییرات بزرگ جریان‌ها که ممکن است بر سدها و مخازن تأثیر بگذارد را درک کنیم. اگر بارش باران و ذوب شدن برف در طول سال ثابت باشد، طراحی سد کار راحتی خواهد بود. در واقع دیگر نیازی به ساخت اکثر سدها نیست؛ زیرا تغییرات هیدرولوژیک دلیل وجود اکثر سدها هستند. افزایش یافتن جریان ممکن است قابل‌توجه باشد. بیشترین حجم آب کل سال در پی وقوع سیلاب در حوزه‌های آبریز امری غیرمعمول نیست. این جریان‌ها با هشدار بسیار کمی به مخزن می‌رسند؛ بنابراین سدها باید برای مواجه با رویدادهای سیلابی بزرگ آماده باشند.

شکسته شدن سد با توجه به‌اندازه سازه و پایین‌دست آن می‌تواند فاجعه‌آمیز باشد. در واقع بعضی از بدترین فاجعه‌های انسانی در تاریخ ناشی از شکست سدها بوده است. به همین دلیل معمولاً سدها برای مقاومت در برابر بزرگ‌ترین سیلاب مورد انتظار که حداکثر سیلاب محتمل نامیده می‌شود، طراحی می‌شوند. ساختن سدی با ارتفاع لازم برای ذخیره کردن کل این سیلاب بسیار هزینه‌بر خواهد بود. از طرف دیگر ما نمی‌توانیم این جریان به‌راحتی از روی سد عبور کند؛ زیرا این آب ممکن است به سازه آسیب‌زده و آن را تخریب کند؛ بنابراین در اکثر موارد سدها با حداقل یک سرریز طراحی می‌شوند؛ سازه‌ای که می‌تواند آب را بدون ایجاد آسیب‌دیدگی یا تخریب برای سد تخلیه کند.

عبارت سرریز معمولاً به سازه‌هایی که جریان‌های اضافی را در هنگام پر شدن مخزن آزاد می‌کنند، اطلاق می‌شود (مثلاً سیلاب یا ذوب شدن سنگین برف‌ها). این تمایز سرریزها از دیگر سازه‌هایی که خارج شدن آب از سد را ممکن می‌کنند، ازجمله خروجی‌های مصرفی برای ایستگاه‌های پمپاژ و آبگیرهای مخصوص توربین‌های برقابی، است. به دلیل تغییرات در جریان، بسیاری از سدها دو یا چند سرریز دارند. سرریز کوچک‌تر یا سرریز اصلی جریان‌های معمولی را در هنگام پر شدن سد عبور می‌دهد. دیگر سرریزها کمکی یا اضطراری نامیده می‌شوند و تنها در هنگام رویدادهای شدید سیلابی درگیر می‌شوند. بسته به طراحی آن‌ها سرریزهای کمکی ممکن است تنها برای چند لحظه در کل طول عمر سد فعال باشند. به همین دلیل این سرریزها می‌توانند فقط یک تونل حفرشده در اطراف سد باشند. این تونل‌ها ممکن است خیلی دوام نیاورند اما از سد در برابر شکستن در شرایط حاد محافظت می‌کنند.

سرریزها فقط سه کار اصلی دارند و انواع سازه‌های متنوعی وجود دارد که می‌توانند این اهداف را برآورده کنند؛ اما من فکر می‌کنم که اگر بخواهیم یک سرریز را در اینترنت نشان دهیم تنها یک انتخاب واضح برای مدل وجود دارد: سرریز نیلوفری. این نوع سرریز اینترنت را با عکس‌های گردابی دیوانه‌وار مسحور کرده است و من یک مدل از آن را ساخته‌ام تا با استفاده از آن عملکرد یک سرریز را نشان دهم. اولین عملکرد سرریز هم واضح‌ترین آن‌هاست: مدیریت سطح آب در مخزن.

سرریز نیلوفری در رده سرریزهایی است که ما آن‌ها را کنترل نشده می‌نامیم. هیچ دریچه یا قسمت متحرکی برای مدیریت آن وجود ندارد. این سرریزها سطح آب مخزن را به‌راحتی با خارج شدن تنظیم می‌کنند. اگر سطح آب خیلی بالا برود جریان پیدا می‌کند و سطح آب پایین می‌آید. اگر سطح آب پایین‌تر از تاج باشد، هیچ آبی خارج نمی‌شود و سطح آب مخزن در پی بارش بالاتر می‌آید.

 بیشتر سرریزهای کنترل نشده بندهایی هستند که قبلاً در مورد آن‌ها صحبت کردیم. بند سازه‌ای است که امکان عبور آب از روی تاج آن فراهم است. سرریز نیلوفری ابتدا مانند یک بند دایره‌ای عمل می‌کند؛ اما با بالا رفتن سطح آب دهانه سرریز بسته می‌شود و رفتار آن تغییر می‌کند. این نوع سرریز در دره‌های باریک که در آن فضای لازم برای دیگر انواع سرریز وجود ندارد استفاده می‌شود. معمولاً سرریزهای کنترل نشده باید به‌اندازه کافی بزرگ باشند تا بتوانند از پس بزرگ‌ترین سیلاب‌هایی که مخزن با آن‌ها روبه‌رو می‌شود، مقابله کنند. این موضوع باعث افزایش هزینه این سرریزها می‌شود؛ بنابراین استفاده از سرریزهای کنترل‌شده با انواع دریچه‌های مختلف می‌تواند یک گزینه جایگزین باشد. دریچه‌ها باعث افزایش پیچیدگی سرریز می‌شوند اما با ایجاد انعطاف‌پذیری در ظرفیت تخلیه و سازه کوچک‌تر، می‌توانند باعث کاهش هزینه آن شوند.

وظیفه بعدی سرریز عبور ایمن جریان به سمت پایین‌دست سد است. در اکثر سرریزها، آب از بالای مخزن به یک جریان طبیعی در پایین‌دست سد برده می‌شود. معمولاً افت تراز قابل‌ملاحظه‌ای وجود دارد که به معنای این است که آب ممکن است سرعت زیادی بگیرد. این سرعت بالای جریان می‌تواند باعث آسیب‌های بزرگی شود؛ بنابراین باید آن را به‌صورت ایمن مهار کنیم. گاهی از یک لوله یا مجرا استفاده می‌شود. برای سرریزهای کانال باز به آن شوت گفته می‌شود. یک شوت به دیوارهایی در طرفین خود نیاز دارد تا جریان را هدایت کند. مجراها و شوت‌های سرریز اغلب از بتن ساخته می‌شوند؛ زیرا بتن یکی از مصالحی است که قدرت کافی برای مقاومت در برابر نیروهای مخرب جریان سرعت بالا را دارد. این یعنی نزدیک شدن به هدف نهایی سرریز؛ استهلاک انرژی.

گفتم که حرکت سریع آب ممکن است باعث فرسایش‌های جدی در پایین‌دست سد شود. این فرسایش ممکن است به سمت بالادست حرکت کرده و درنهایت باعث شکست سد شود؛ بنابراین تمام سرریزها به راهی برای استهلاک انرژی هیدرولیکی و کند کردن جریان قبل از رها شدن در جریان آب طبیعی، نیاز دارند. در سرریزهای بزرگ این کار در یک سازه به نام حوضچه آرامش انجام می‌شود که یک پرش هیدرولیکی ایجاد می‌کند. در سریرهای کوچک‌تر ممکن است استهلاک با سنگچین یا حتی شیرجه زدن آب در یک استخر عمیق انجام شود. وقتی بیشتر انرژی هیدرولیکی از بین می‌رود، آب بدون ایجاد آسیب به سمت پایین‌دست حرکت می‌کند.

سرریز بخشی حیاتی از هر سد است و اغلب پیچیده‌ترین بخش آن هم محسوب می‌شود. طراحی یک سرریز معمولاً نیازمند تیمی از مهندسین برای انجام تحلیل‌های سازه‌ای، ژئوتکنیکی، برقی، مکانیکی، هیدرولوژیکی و هیدرولیکی است. همه این‌ها برای این است که بتوانیم آب را در هنگام مواجه با یک جریان شدید از مخزن سد تخلیه کنیم.

منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.