انواع سرریز سد و انتخاب دبی طرح برای آنها

انواع سرریز سد و انتخاب دبی طرح برای آنها

از آنجایی که سرریز سد یکی از مهمترین اجزای آن بشمار می رود، شناخت انواع سرریز سد و کاربردهای آنها برای دانشجویانی که به هر نحوی چه به صورت پروژه ای تحقیقاتی و چه به صورت پروژه ای ساختی با موضوع سد در ارتباطند الزامی است، از این رو سعی شده است تا در این نوشتار به معرفی انواع سرریز سد و کاربردهای آنها در سد ها بپردازیم.

در ابتدا در مورد لزوم استفاده از سرریز سد نکاتی بیان گردیده است، در ادامه برای دسته بندی سرریز سد ها، آنها را به دو صورت تقسیم کرده ایم :

• تقسیم بندی سرریز سد ها بر اساس وجود یا عدم وجود دریچه
• تقسیم بندی سرریز بر اساس محل قرار گیری آنها نسبت به سد

در تقسیم بندی اول، سرریز سد ها را از نظر دریچه دار بودن یا نبودن بررسی کرده ایم و انواع آنها را برشمرده ایم. اما تقسیم بندی دوم خود دارای دو قسمت است :

• سرریز هایی که معمولا داخل بدنه سد ساخته می شوند
• سرریز هایی که معمولآ خارج از بدنه سد ساخته می شوند

در ادامه این نوشتار در مورد انواع مهم سرریز های هر بخش، بحث و مقایسه شده است. در انتهای تحقیق نیز با توجه به این نکته که سرریز نقش اساسی را در هنگام بروز سیل ایفا می کند، در رابطه با انتخاب دبی طرح برای سرریز با توجه به دبی سیلاب نکاتی ذکر گردیده است.

مقدمه

برای عبور آب های اضافی از سراب (بالادست) به پایاب (پایین دست) سدها از سازه ای به نام سرریز استفاده می شود. سرریز سد یکی از کلیدی ترین اعضای سد به شمار می رود که شکست بسیاری از سد ها به عدم کفایت سر ریز آنها نسبت داده شده است.

ایمنی سد ها به طور اهم ارتباط مستقیم و تنگاتنگی با کفایت ظرفیت سر ریز دارد. بیشتر شکست سدها در اثر عبور آب از روی تاج آنها به وقوع می پیوندد که مهمترین عامل آن کافی نبودن ظرفیت سرریز سد است. عملکرد ایمن سرریزها، در شرایط غیر عادی، عامل مهمی در ایمنی سدهاست. بر طبق گزارشات منتشر شده توسط کنفرانس بین المللی سد های بزرگ (ICOLD)حدود ۰٫۳۳ شکست سد ها از عدم کفایت سرریز نشأت گرفته است.

در نتیجه با توجه به حساس بودن کارکرد، سرریز باید سازه ای قوی ، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که در هر لحظه بتواند برای بهره برداری آمادگی داشته باشد. به طور کلی انتخاب سیل مبنای طرح سرریز های سد های مخزنی و معیار های طراحی آنها یکی از مسائل مهم سدسازی به شمار می آید و نقش عمده ای در کاهش خطر سیل گرفتگی شهرها یا اراضی بالادست سدهای مخزنی دارد. متأسفانه به دلیل نبود معیارهای فنی و تجربه های مناسب در زمینه مدیریت سیلاب بعضاً شاهد انتخاب نادرست نوع سرریز سدهای مخزنی هستیم.

سرریز ها باید در کلیه ی شرایط آماده ی بهره برداری بوده و قادر به تخلیه ی سیل مبنای طرح باشند تا در هنگام وقوع سیل شاهد تلفات جانی و خسارات مالی بیش از حد انتظار نباشیم. همچنین یکی از عوامل مهم که پایداری و سازه سرریز را تهدید می کند و ممکن است باعث لطمه جبران ناپذیر به سرریزها شود پدیده نام آشنای کاویتاسیون می باشد. درک صحیح از عملکرد سرریزها می تواند تا حد زیادی هزینه ساخت را کاهش و مشکلات سیل گرفتگی را مرتفع نماید.

انواع سرریز سد

به طور خلاصه می توان سرریز سد ها را با توجه به دارا بودن یا نبودن دریچه و یا ساختن آن در بدنه ی سد یا خارج از آن به صورت زیر تقسیم بندی نمود.

تقسیم بندی بر اساس وجود یا عدم وجود دریچه

چنان چه توپوگرافی محل و میزان سیل به نحوی باشد که بتوان از سرریز بدون دریچه استفاده نمود، در آن صورت بهره برداری از سرریز ساده خواهد شد که این امر در مقاطع عریض رودخانه میسر است و برای مقاطع تنگ رودخانه سد معمولا با دریچه طراحی می شود. در حالت دوم کنترل جریان بهتر میسر می گردد و این نوع سرریز به سرریز کنترل کننده سیل نیز معروف است. در زمان وقوع سیل ، اگر مخزن پر باشد، دریچه ها به منظور عبور جریان سیل کاملا باز نگه داشته می شوند.

در حال حاضر بیشتر سد ها به دریچه های تنظیم مجهز هستند تا بهره برداری انعطاف پذیر از سد را امکان پذیر سازد. به منظور پیشگیری از وقوع سیل در پایاب سد، دریچه ها را باید بر اساس بهره برداری آن باز و بسته کرد. دریچه ها را باید از نظر امکان ارتعاش آنها نیز آزمایش کرد. مزیت های دریچه های تعبیه شده روی سرریز ها عبارتست از :

• تغییر و کنترل تراز مخزن
• کنترل سیل
• ایجاد تراز ذخیره بالاتر در مخزن

در حالی که معایب آنها عبارتند از :

• خطر احتمالی ناشی از بهره برداری نامناسب یا خرابی آن
• صرف هزینه بیشتر برای تعبیه دریچه
• ضرورت تعمیر و نگهداری دریچه

بسته به اندازه و موقعیت سد، استفاده از دریچه ها در شرایط زیر اولویت دارد :

• سد های بزرگ
• سیل های بزرگ
• امکان دستیابی راحت برای بهره برداری از دریچه

هم اکنون از سه نوع دریچه یعنی دریچه یکطرفه لولا دار (Gate flap hinged)، دریچه کشویی قائم (Gate lift vertical) و دریچه های قطاعی (Gates radial) استفاده می شود. دریچه های یکطرفه را برای ارتفاع کم جریان در حد چند متر و با طول زیاد می توان استفاده کرد. دریچه کشویی می تواند ارتفاع زیادی داشته باشد اما به متعلقاتی مانند شیار های دریچه، وسیله بالابر قوی و سازه نگهدارنده نیاز دارد. دریچه های قطاعی را به دلیل سازه ساده آن ، نیروی نسبتآ کم مورد نیاز برای بکار اندازی آن و نیاز نداشتن به شیار دریچه در آن، بیشتر برای سرریز های بزرگ و متوسط استفاده می کنند. مقاومت دریچه قطاعی به استحکام یاتاقان آن بستگی دارد.

به دلایل ایمنی، باید از تعدادی دریچه با ابعاد متوسط به جای تعداد کمتری دریچه بزرگتر استفاده شود. در زمان طراحی ، فرض می شود که بزرگترین دریچه از کار بیفتد و دریچه های دیگر باید توانایی عبور دبی مورد نظر را داشته باشند. تنظیم و باز و بسته کردن دریچه به وسیله بالابر یا جک های هیدرولیکی که با موتور الکتریکی کار می کنند انجام می شود. چنان چه احتمال قطع برق وجود داشته باشد، ژنراتورهای دیزلی – الکتریکی را می توان برای استفاده در مواقع ضروری پیش بینی کرد.

تقسیم بندی سرریز بر اساس محل قرار گیری سرریز نسبت به سد

سرریز OGEE

سازه روگذر یا سرریز را بسته به شرایط محل و خصوصیات هیدرولیکی به صورت های مختلفی می توان طراحی کرد. سرریز های از نوع پیوند (OGEE) و سرریز های لبه پهن که نوع دوم در سازه های کوتاه مورد استفاده قرار می گیرند، سرریز هایی می باشند که معمولا در بدنه ی سد قرار داده می شوند.

این سرریزها یک لبریز کنترل دارند که به شکل منحنی اوجی (پیوند) یا دارای پروفیل S شکل است. معمولاً قسمت فوقانی منحنی پیوند طوری طراحی می شود که هر چه نزدیکتر بر پروفیل زیرین سفره آبی که از روی یک لبریز لبه تند هوا دهی شده، فرو می ریزد منطبق باشد. با جلوگیری از ورود هوا به زیر سفره آب ، امکان تماس بین آب سرریز شده و پروفیل تاج سرریز فراهم می آید. برای دبی های نظیر ارتفاع طراحی، جریان آب بدون مزاحمتی از طرف لایه مرزی، به آرامی بر روی پروفیل تاج سرریز حرکت می کند و تقریباً حداکثر بازده تخلیه به دست می آید. پایین تر از قسمت فوقانی منحنی پیوند، پروفیل به صورت مماسی در طول یک شیب ادامه می یابد و بدین ترتیب ورقه آب را در روی سطح قسمت آبریز حفاظت می کند. در انتهای شیب ، یک منحنی معکوس جریان را به داخل حوضچه آرامش و یا کانال تخلیه سرریز بر می گرداند.

منحنی فوقانی تاج سریز سد را می توان تندتر و یا ملایم تر از پروفیل سفره ریزشی آب انتخاب کرد. شکل ملایم تر پروفیل سبب خواهد شد که ورقه آب به سطح پروفیل بچسبد و فشار هیدرواستاتیکی مثبتی را در سطح تماس پدید آورد. در این حالت ، مقاومت جریان افزایش می یابد و بازده تخلیه سرریز کاسته می شود. برای پروفیل تندتر ، امکان جدا شدن ورقه آب از سطح تاج وجود دارد که با وقوع فشار منفی در سطح تماس همراه خواهد بود. اثر این گونه فشارهای منفی، در افزایش ارتفاع مؤثر است که در نتیجه بر دبی جریان می افزاید. یک تاج آبریز همراه با کف بند پایین دست، می تواند به عنوان یک سرریز کامل مورد استفاده قرار گیرد. این حالت را می توان در سدهای بتنی وزنی مشاهده کرد. در حالت دیگر، تاج آبریز ممکن است فقط بصورت سازه کنترل ، برای انواع دیگر سرریزها مورد استفاده قرار گیرد.

سرریز هایی که معمولآ خارج از بدنه سد ساخته می شوند عبارتند از :

• سرریز جلویی (مستقیم)
• سرریز جانبی
• سرریز لاله ای
• سرریز سیفونی
• سرریز پلکانی

شکل ۱- سرریز OGEE

سرریز کنگره ای

در سازه های دیگری مانند سرریز کنگره ای، از سرریز مستقیم استفاده می شود که تاج آن به شکل مثلثی یا ذوزنقه های متوالی است. نوع دیگر آن، سرریز روزنه ای است که در سد های قوسی استفاده شده است. در این نوع سرریز ، امکان مسدود شدن روزنه سرریز با زباله ها و مواد شناور وجود دارد. رابطه دبی – ارتفاع سرریز روزنه ای در مقایسه با سرریز مستقیم حساسیت کمتری به عمق جریان دارد. سرریز های غیر مستقیم برای دبی های کم یا متوسط استفاده می شوند.

شکل ۲- سرریز کنگره ای

سرریز لاله ای یا نیلوفری

سرریز سد لاله ای یا سرریز نیلوفری در سال ۱۹۳۰ معرفی و اقتصادی بودن آن ثابت شده است، مشروط به آنکه تونل انحراف را بتوان به عنوان مجرای افقی این سرریز استفاده کرد. برای مقاطع تنگ و بستر سنگی رودخانه معمولا از تونل برای انحراف آب رودخانه استفاده می شود. پس از پایان ساختمان سد تونل انحراف آب یا کاملا کور می شود و یا به سرریز برای انتقال سیلاب ها وصل می شود. شکل سرریز نیلوفری، در حقیقت ادامه پروفیل تاج دهانه ورودی سرریز لاله ای ممکن است دایره ای یا قسمتی از دایره باشد.

سازه این سرریز سد شامل سه قسمت اصلی است که عبارتند از : آبگیر، مجرای عمودی با یک زانوی ۹۰ درجه و یک تونل تقریبا افقی. برای داشتن فشار اتمسفر در تمامی طول سرریز به منظور جلوگیری از خسارت ناشی از کاویتاسیون، هوا از طریق مجرای هواده در محل تبدیل بین مجرای عمودی و تونل افقی تأمین می شود. همچنین به منظور ایمنی در زمان سیلاب، داشتن جریان غیر مستغرق (آزاد) در سرریز لازم است، به طوری که جریان با سطح آزاد در تمامی قسمت های سرریز از آبگیر تا سازه استهلاک کننده انرژی، وجود داشته باشد. بنابراین ظرفیت هیدرولیکی مجرای عمودی و تونل افقی بیشتر از ظرفیت سازه آبگیر است.

سرریز نیلوفری را معمولا برای سد های با دبی طراحی کم تا متوسط، با مقدار حداکثر حدود ۱۰۰۰ متر مکعب در ثانیه استفاده می کنند. استفاده از این سرریز در وضعیتی که احتمال وقوع زلزله کم باشد و سرریز افقی را بتوان به مجرای انحرافی موجود متصل کرد و یا مقدار مواد شناور قابل توجه نباشد همچنین فضا برای ساخت سرریز مستقیم وجود ندارد و شرایط زمین شناسی از نظر نشت سازه مناسب باشد و مجرای انحرافی کوتاه را بتوان مهیا کرد توصیه می شود. چنین سازه ای مستعد برای ایجاد جریان های چرخشی در دهانه ورودی آن است که باید با انتخاب موقعیت مناسبی برای مجرای افقی، متناسب با توپوگرافی مخزن و محور سد از وقوع آن جلوگیری شود. این نوع سرریز ، به دلیل شباهت به گل نیلوفر که به شکل فنجان است، سرریز نیلوفری نیز می نامند.

شکل ۳- سرریز نیلوفری

سرریز جانبی

سرریز با کانال جانبی یا سرریز جانبی ، سازه مرسومی است که از آن برای روگذری جریان استفاده می شود. محور کانال جانبی شامل سرریز مستقیم و مجرایی است که محور آن موازی تاج سرریز است در حالی که محور کانال پایین دست سرریز استاندارد مستقیم، عمود بر تاج سرریز است. سرریز جانبی جدا از سازه سد ساخته می شود و دبی عبوری از آن از طریق دره پایین دست به پایاب منتقل می شود در حالی که سرریز مستقیم معمولا در سازه سد تعبیه می شود. سرریز جانبی در اواخر سال ۱۹۳۰ در سد هوور در آمریکا با موفقیت استفاده شد. استفاده از این سرریز در مناطقی که استفاده از سرریز مستقیم عملی نیست، مانند سد های خاکی یا وقتی که موقعیت دیگری در کنار سد ارتباط بهتر و آسان تری را با حوضچه آرامش امکان پذیر می سازد، مناسب است. چنانچه طول تاج سرریز، عمود بر محور رودخانه، جوابگوی انتقال سیلاب نباشد، ممکن است سرریز جانبی مورد استفاده قرار بگیرد. دبی ویژه این سرریز با طول تاج بیشتر از ۱۰۰ متر، معمولا به ۱۰ متر مکعب در ثانیه محدود می شود.

سرریز سد از نوع جانبی ممکن است، با تونل انتقال آب یا با تند آب به جریان رودخانه پایین دست بپیوندد. تاکنون سرریزهای جانبی متعددی در جهان ساخته شده است. باید توجه داشت که این نوع سرریز برای دبی های کم و متوسط مناسب است. همچنین این نوع سرریز در مناطقی که دره باریک است و عرض مناسبی برای ساخت سرریز مستقیم وجود ندارد و مشکلاتی مانند نیروهای ناشی از برخورد آب به بستر و در نتیجه آب شستگی زیادی در سد های قوسی وجود دارد و شرایط توپوگرافی برای ساخت سرریز جانبی مناسب است و ساخت سرریز روی بدنه سد، مثل سد خاکی امکان پذیر نیست استفاده می شود. همچنین معمولا سرریز های جانبی به صورت دریچه دار ساخته نمی شوند و زمانی که تنظیم تراز مخزن اهمیت دارد، اغلب دریچه استوانه ای بهترین انتخاب است. سطح مقطع کانال های جانبی، مستطیلی شکل یا با هدف کاهش هزینه حفاری در سد های بزرگ، ذوزنقه ای شکل در نظر گرفته می شود.

شکل ۴- سرریز جانبی

سرریز مستقیم یا اوجی

سرریز مستقیم (اوجی) بدلیل ساده بودن و امکان برقراری ارتباط مستقیم مخزن با پایاب، سرریز استانداردی است که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع سرریز را معمولا می توان در دو نوع سد قوسی و وزنی استفاده کرد. همچنین سدهای خاکی و سرریزهای مستقیم را، با توجه ویژه به مساله روگذری سد، می توان بصورت ترکیبی نیز بکار برد. در سرریز مستقیم ، به منظور تنظیم تراز مخزن و اصلاح جریان ورودی به سرریز، از دریچه ها و پایه های مربوطه استفاده می شود. برای انتقال آب از یک سطح به سطح پایین تر و در فاصله ی بسیار زیاد از تندآب استفاده می شو .

سرریزهای دریچه دار متعددی با ارتفاع ۲۰ متر و بیشتر و دبی ۲۰۰ متر مکعب در ثانیه در واحد عرض ساخته شده است. بنابراین، این نوع سرریز برای سدهای متوسط و بزرگ که در آنها سیل هایی با حجم زیادی باید به پایاب منتقل شود مناسب است. در این نوع سرریز ها لازم است توجه ویژه ای به کاویتاسیون معطوف شود، زیرا به علت ارتفاع های بسیار زیاد جریان و در نتیجه سرعت بالای آن ممکن است موجب تولید فشار پایین تر از فشار بخار در محدوده تاج شود. تاج سرریز می تواند به شکل های مستقیم (استاندارد)، کنگره ای، منحنی یا چند ضلعی باشد که کنگره ای ظرفیت آب گذری بیشتری در مقایسه با سرریز های دیگر (برای عرض یکسان) دارد.

همچنین برای بدست آوردن جریان متقارن ورودی به سرریز، شکل پایه های بین دریچه باید با دقت کافی انتخاب شود. در سد ها در ابتدای تندآب سرریز OGEE ، سرریز جانبی و یا سرریز منقاری قرار می گیرد. در شبکه های آب یاری در ابتدای سرریز تندآب سرریز OGEE یا تبدیل قرار می گیرد. مسائل مهم این نوع سرریز ها تشکیل امواج تداخلی بلافاصله بعد از سرریز OGEE، تشکیل امواج انتقالی و وجود هوا در جریان آب در طول تندآب می باشد. باید توجه داشت که جریان در تمام طول سرریز می بایست فوق بحرانی بوده و در پایانه باید انرژی جنبشی مخرب آب به نحو شایسته گرفته شود.

قسمت پایین دست سرریز مستقیم ممکن است شکل های مختلفی داشته باشد. معمولا یک مجرایی (شوت یا تنداب) به تاج سرریز متصل می شود و به عنوان سازه انتقالی بین تاج سرریز و سازه استهلاک کننده انرژی عمل می کند. تندآب در سد های خاکی و در زمانی که خاک بستر رودخانه در مقابل فرسایش آبی مقاومت نداشته باشد مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین این سرریز را می توان فقط روی سد قوسی ساخت، در این حالت جریان عبوری از روی آن به پایاب می ریزد (در این حالت دیوار پایین دست سرریز، همان وجه پایین دست سد است).

سرریز متوالی یا پلکانی

در نوع دیگری از طراحی، از سرریز های متوالی (پلکانی) استفاده می شود که در آن، استهلاک انرژی از انتهای تاج تا محل پایاب (در کل طول سرریز) صورت می گیرد.
در سرریز های پلکانی چند حوضچه آرامش پشت سرهم قرار می گیرند و بدین ترتیب از طول حوضچه آرامش می توان کاست و در زمانی که شیب برای احداث تندآب بسیار تند است ، برای انتقال آب از سرآب به پایاب از سرریز پلکانی استفاده می شود.

طرح استاندارد شامل سرریز همواری است که جریان را با سرعت زیاد یا مستقیما به حوضچه آرامش یا به جام پرتابی منتقل می کند. در حالت دوم با پرتاب شدن جریان به هوا و پخش شدن آن، کاهش آثار ناشی از برخورد آب به پایاب را شاهد خواهیم بود. در سال های اخیر در بعضی از سد های وزنی سرریز پلکانی بدون حوضچه آرامش و به صورت پله های معمولی ساخته شده است.

شکل ۵- سرریز پلکانی

چنانچه بخواهیم مقدار زیادی آب را در عرض کمی از ساحل رودخانه یا در طول کوتاهی از تاج سرریز و یا در ساحل کانال اصلی شبکه آبیاری عبور دهند ممکن است از سرریز سیفونی استفاده نمایند. رقوم تاج سرریز در گلوگاه و یا به عبارت دیگر کف گلوگاه سیفون، هم سطح رقوم نرمال سطح آب در مخزن یا در کانال قرار می گیرد. حرکت آب تحت تأثیر فشار منفی قرار می گیرد. حداکثر فشار منفی ایجاد شده در گلوگاه سیفون نباید از ۰/۷ اتمسفر محلی تجاوز نماید.

انتخاب دبی طرح برای سرریز

ظرفیت سرریز یا دبی عبوری جریان در سرریز سد ها با کمک محاسبات هیدرولوژی حوزه آبریز رودخانه تا محل سد تعیین می شود. با استفاده از روش روندیابی سیل و با در نظر گرفتن اینکه مقداری از سیل در فاصله حجم رقوم های نرمال و ماکزیمم در مخزن سد مستهلک می شود، واریانت های مختلف برای سرریز در نظر می گیرند و ظرفیت عبوری سرریز به این صورت بهینه می شود.

معمولا دبی سیلاب برای سرریز سد بسته به موقعیت سد و درجه بندی آن و با استفاده از دوره بازگشت سیل تعیین می گردد. در سال های اخیر برای سد های درجه یک و یا سد هایی که در صورت خراب شدن ممکن است خسارات جانی و مالی فراوانی به بار آوردند حداکثر سیل محتمل در نظر گرفته می شود. برای سد های درجه دو و یا سد هایی که در صورت خراب شدن ممکن است خسارات مالی فراوانی به بار آید و خسارات جانی اندک باشد سیل های ۱۰۰۰۰ ساله و برای سد های درجه سه یا سد هایی که در اثر شکسته شدن خسارات مالی و جانی بسیار زیادی به بار نمی آورند سیل های ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ ساله و برای سدهای انحرافی سیل های ۵۰ تا ۱۰۰ ساله در نظر گرفته می شود. اصولا انتخاب سیل بستگی به ریسکی است که باید از طرف طراح قابل قبول و پذیرفته شود بنابراین دوره بازگشت سیل انتخاب شده ممکن است توسط افراد مختلف و در کشورهای مختلف متفاوت باشد .

نتیجه گیری

ایمنی سد ها به طور اهم ارتباط مستقیم و تنگاتنگی با کفایت ظرفیت سر ریز دارد. بیشتر شکست سدها در اثر عبور آب از روی تاج آنها به وقوع می پیوندد که مهمترین عامل آن کافی نبودن ظرفیت سرریز است. عملکرد ایمن سرریزها، در شرایط غیر عادی، عامل مهمی در ایمنی سدهاست. به طور کلی مهمترین انواع سرریز در سد عبارتند از : سرریز OGEE، سرریز کنگره ای، سرریز لاله ای، سرریز جانبی، سرریز پلکانی و سرریز سیفونی. با توجه به این نکته که یکی از مهمترین موارد استفاده از سرریز در سازه سد جلوگیری از خسارات ناشی از وقوع سیل می باشد، باید با استفاده از محاسبات هیدرولوژی حوزه آبریز رودخانه تا محل سد ظرفیت سرریز یا دبی
عبوری جریان در سرریز سد را تعیین نمود تا در هنگام بارندگی های سیل آسا از خسارات وارده به سازه سد جلوگیری کنیم. پس از تعیین دبی طرح برای سرریز، می توان سرریز متناسب با آن دبی و با توجه به توپوگرافی مخزن را تعیین کرد.