Transcript طراحی کانالها

‫جلسه دوم‬
‫طراحی کانالها‬
‫انواع پوشش‬
‫درزها‬
‫زیر فشار‬
‫طراحی کانالهای خاکی‬
‫• مقطع پایدار چیست؟‬
‫• پایداری کانالهای خاکی ‪ :‬خصوصیات مصالح تشکیل دهنده کف کانال و‬
‫دیواره ها‪ ،‬پارامترهای هیدرولیکی‬
‫• حاالت ناپایداری در کانال ‪:‬‬
‫الف‪ :‬فرسایش بدون رسوبگذاری ‪ :‬مواد معلق کم‪ ،‬انرژی آب زیاد‬
‫ب‪ :‬رسوبگذاری بدون فرسایش‪ :‬سرعت آب کم‬
‫ج‪:‬رسوبگذاری و فرسایش‪ :‬بار رسوبی زیاد‪ ،‬خاک قابل فرسایش‬
‫مراحل طراحی کانال خاکی‬
‫• انتخاب ضریب زبری مانینگ از جداول‬
‫• محاسبه پارامترها‬
‫• کنترل سرعت با سرعت مجاز‬
‫• برآورد ارتفاع آزاد‬
‫نمودار برآورد ارتفاع آزاد ‪USBR‬‬
‫نمودار برآورد زاویه ایستایی خاک‬
‫نیروی کشش ی مجاز برای مصالح بستر غیر چسبنده‬
‫نیروی کشش ی مجاز برای مصالح بستر چسبنده‬
‫روش بهترین مقطع هیدرولیکی برای کانالهای خاکی‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫بهترین مقطع ضرورتا کوچکترین مقطع هیدرولیکی برای انتقال‬
‫جریان است‪.‬‬
‫بهترین مقطع مقاطع با محیط تر شده کمینه هستند ‪.‬‬
‫بهترین مقطع هیدرولیکی به ازای دبی عبوری ‪ Q‬و ضریب زبری ‪ n‬و‬
‫شیب جانبی ‪ S‬مشخص دارای مساحت (خاکریزی‪ ،‬خاکبرداری)‬
‫کمینه و محیط مرطوب حداقل است‪.‬‬
‫ممکن است بهترین مقطع هیدرولیکی قابل اجرا نباشد‪ :‬عدم ارضاء‬
‫ضوابط هیدرولیکی جریان(سرعت های مجاز)‪ ،‬نداشتن توجیه‬
‫اقتصادی‬
‫مشخصات بهترین مقطع هیدرولیکی‬
‫نوع مقطع‬
‫سطح مقطع‬
‫)‪(A‬‬
‫‪1.73y2‬‬
‫‪3.46y‬‬
‫مستطیلی‬
‫‪2 y2‬‬
‫‪4y‬‬
‫‪0.5y‬‬
‫مثلثی‬
‫‪y2‬‬
‫‪2.83y‬‬
‫‪0.354y‬‬
‫‪2y‬‬
‫‪1.89 y2‬‬
‫‪3.77y‬‬
‫‪0.5y‬‬
‫‪2.83y‬‬
‫ذوزنقه ای‬
‫هذلولی‬
‫محیط ترشده‬
‫)‪(P‬‬
‫شعاع هیدرولیکی‬
‫)‪(R‬‬
‫پهنای آزاد سطح‬
‫آب )‪(T‬‬
‫عمق هیدرولیکی )‪(D‬‬
‫‪0.5y‬‬
‫‪2.31y‬‬
‫‪0.75y‬‬
‫‪2y‬‬
‫‪y‬‬
‫‪0.25πy‬‬
‫‪0.667y‬‬
‫نکات مهم در طراحی بهترین مقطع هیدرولیکی‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫در بهترین مقطع هیدرولیکی سطح مقطع الزم برای انتقال یک دبی مشخص به‬
‫حداقل میرسد ولی ممکن است مساحت خاکبرداری به مراتب بیشتر گردد‪.‬‬
‫ممکن است اجرا با مصالح موجود امکان پذیز نباشد و بایستی هزینه آن را نیز‬
‫در برآوردها به حساب آورد‪.‬‬
‫در هزینه خاکبرداری هزینه انتقال خاک از محل طرح را نیز بایستی در‬
‫محاسبات لحاذ نمود‪.‬‬
‫در اغلب مواقع شیب کانال با شیب منطقه برابر نیست در اینصورت بایستی‬
‫حجم خاکبرداری آن لحاظ شود‪.‬‬
‫پوشش کردن مجاری‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫تامین شرایط الزم برای انتقال آب با سرعت زیاد ار مناطق با خاکبرداری‬
‫ضعیف و یا مشکل با در نظر داشتن اقتصاد‬
‫کمینه سازی تلفات نشت‬
‫کمینه سازی هزینههای بهرهبرداری نگهداری سالیانه‬
‫تامین شرایط الزم برای انتقال آب با سرعتهای باال به منظور کاهش‬
‫هزینههای اجرایی‬
‫• تضمین پایداری مقاطع کانال‬
‫محاسن پوششهای بتنی‬
‫• افزایش سرعت و کاهش سطح مقطع‬
‫• جلوگیری از نشت‬
‫• جلوگیری از رسوبگذاری‬
‫• جلوگیری از فرسایش‬
‫• تسهیل عملیات بهرهبرداری و نگهداری‬
‫• حفظ کیفیت آب در تماس با عوامل فیزیکو شیمیایی‬
‫در پوشش کردن کانالها بایستی‬
‫‪ ‬نوع مصالح ساختمانی‬
‫‪ ‬رفت و آمد ماشین آالت‬
‫‪ ‬دوام و خسارت ناش ی از علفهای هرز‬
‫درنظر گرفته شود‪.‬‬
‫معایب پوشش کردن مجاری‬
‫• هزینه های سنگین اجرا‬
‫• مشکالت طراحی سازهای ار نظر کاهش زیر فشار‬
‫• ضرورت احداث سازههای فرعی برای تسهیل در بهرهبرداری‬
‫با مقایسه معایب و مزایای پوشش ها در اغلب موارد انتخاب مقدماتی یک مهندس طراح استفاده از مجاری‬
‫پوشش شده میباشد‪.‬‬
‫انواع پوششهای متداول‬
‫• پوشش های سخت و یکپارچه‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫پوششهای بتنی ریخته شده درجا‬
‫پوششهای بتنی پیش ساخته‬
‫شات کریت‬
‫آسفالت‬
‫آجر فرش و بلوکهای سفالی‬
‫سنگفرش‬
‫• پوششهای غشایی‬
‫‪ ‬قیرگونی‪ ،‬فایبرگالس یا الیاف مصنوعی‬
‫‪ ‬الستیک و پالستیکهای ورقهای‬
‫‪ ‬زمین پارچه برای آببندی(‪)Geomemberine‬‬
‫• پوششهای متخلخل‬
‫‪ ‬خاکهای متراکم یا کوبیده‬
‫‪ ‬خاک اصالح شده‬
‫‪ ‬سنگریز‬
‫•‬
‫‪o‬‬
‫‪o‬‬
‫‪o‬‬
‫‪o‬‬
‫‪o‬‬
‫‪o‬‬
‫‪o‬‬
‫‪o‬‬
‫‪o‬‬
‫انتخاب پوششها‬
‫داشتن توجیهپذیری اقتصادی‬
‫‪ ‬موجود بودن مصالح‬
‫‪ ‬موجود بودن ماشین آالت مرتبط با مصالح‬
‫‪ ‬محدودیت اجتماعی و نیروی انسانی‬
‫‪ ‬محدودیت زمانی اجرا‬
‫وضعیت اقلیمی منطقه‬
‫خواص فیزیکی و شیمیایی خاک مجرا‬
‫ظرفیت مقطع‬
‫دائمی یا موقت بودن بهرهبرداری از مجرا‬
‫مهارت افراد محلی در حفظ و بهرهبرداری و ترمیم احتمالی مجرا‬
‫دوام‬
‫تراوایی‬
‫بازده هیدرولیکی‬
‫پوششهای بتنی‬
‫• این پوششها در سطح وسیعی بکار میروند‬
‫• برای مجاری که مشکل زهکش ی ندارند‬
‫• در طراحی سازهای آنها بایستی به پایداری در طول عمر مفید‪ ،‬آب بندی‬
‫نمودن‪ ،‬اقصاد طرح توجه شود‪.‬‬
‫‪ ‬حجم مصالح کمینه‬
‫‪ ‬مصالح ارزان قیمت‬
‫‪ ‬حذف فوالد‪ :‬حذف آن به معنی لزوم قبول پیامدهای تنشهای حرارتی‬
‫‪ ‬استفاده از بتن غیر مسلح با عیار کم‬
‫‪ ‬ضخامت پوشش کم‬
‫• آماده سازی زمین پی در جهت جلوگیری از کشش در اثر نسشت پی و‬
‫متراکم ساختن مصالح برای بیشینه سازی دانسیته در راستای‬
‫رسیدن به وزن واحد ماکزیمم پیش از اجرا ضرورت دارد‪.‬‬
‫• در مصالح سنگی زیرسازی شامل سنگ دوزی و تزریق سنگ‬
‫میباشد‪.‬‬
‫• در مواردی که پوشش تونل نقش تامین پایداری سنگهای محیطی را‬
‫نداشته باشد از پوششهای دارای حداقل فوالد میتوان برای‬
‫حفاظت آن کمک گرفت‪.‬‬
‫شات کریت‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫نوعی بتن پاشش ی است با عیار قابل توجه سیمان تحت فشار هوای‬
‫فشرده و با تجهیزات مخصوص به سطح کار پاشیده میشود‪.‬‬
‫شات کریت را میتوتن بصورت مسلح هم اجرا نمود‪.‬‬
‫در سازه های هیدرولیکی‪ ،‬راه سازی‪ ،‬پل سازی‪ ،‬تعمیرات کاربرد دارد‪.‬‬
‫شات کریت تر‪ :‬آب‪ ،‬سیمان و مصالح سنگی در مخلوط کن آماده شده و‬
‫از طریق لوله تحت فشار به سطح کار پاشیده میشود‪.‬‬
‫شات کریت خشک‪ :‬سیمان و مصالح سنگی بصورت خشک داخل ابزار‬
‫ریخته میشود و اختالط آب داخل ابزار صورت میگیرد‪.‬‬
‫معایب شات کریت‪ :‬فقدان قالب بندی‪،‬پرت مصالح‬
‫شات کریت ‪ 1/5‬برابر گرانتر از بتن معمولی است‪.‬‬
‫آجر فرش و بلوکهای سفالی‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫سا ده بودن عملیات آجر چینی‬
‫سهولت تامین و ارزانی مصالح‬
‫عدم نیاز به درز‬
‫مالت مورد استفاده‪ :‬نسبت ‪ 4‬به ‪ 3‬شن‪-‬ماسه و آهک‬
‫زیر سازی با شفته آهک‬
‫برای جلوگیری از فرسایش فواصل آجرها با مالت ماسه سیمان بندکش ی‬
‫میشود‪.‬‬
‫پس از اتمام از دوغاب سیمان استفاده میشود‪.‬‬
‫در پوشش آجری بهتر است شکل مقطع ذوزنقه ای با شیروانی پایدار باشد‪.‬‬
‫پوشش سنگفرش‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫ضخامت این نوع پوشش اغلب ‪ 25‬سانتی متر است‪.‬‬
‫این پوشش به دو صورت بدون مالت و با مالت انجام میشود‪.‬‬
‫در هر دو روش از قلوه سنگ و الشه سنگ استفاده میشود‪.‬‬
‫قلوه سنگ در نهرهای کوچک و الشه سنگ در نهرهای بزرگ بکار‬
‫میروند‪.‬‬
‫قلوه سنگ را میتوان ار رودخانههای نزدیک و الشه سنگ زا از کوه‬
‫استخراج نمود‪.‬‬
‫• سنگ چینی بدون مالت‬
‫‪ ‬هدف جلوگیری از فرسایش‬
‫‪ ‬عدم ممانعت از نفوذ آب‬
‫‪ ‬در این روش بهتر است سنگهای مستطیلی از طول در جهت جریان قرار گیرند‪.‬‬
‫ً‬
‫‪ ‬ضریب زبری این پوشش باالست و تبعا تلفات انرژی نیز زیاد میشود‪.‬‬
‫• سنگ چینی با مالت‬
‫‪ ‬با قلوه سنگ انجام میشود‬
‫‪ ‬از مالت سیمانی برای جلوگیری از جدایش استفاده میشود‪.‬‬
‫‪ ‬مالت شفته آهک جهت زیرسازی استفاده میشود‪.‬‬
‫پوشش آسفالتی‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫عمر آن با سرعت بیشینه ‪ 1/5‬متر در ثانیه معموال ‪ 10‬تا ‪ 20‬سال‬
‫است‪.‬‬
‫شیب ان بایستی کمتر از کانالهای بتنی یا آجری باشد‪.‬‬
‫در اجرای آن از دو نوع آسفالت گرم و سرد استفاده میشود‪.‬‬
‫در آسفالت گرم دانه بندی میتواند مشابه دانه بندی آسفالت راه‬
‫سازی باشد‪.‬‬
‫از معایب این پوشش تخریب در اثر سرعت زیاد آب است‪.‬‬
‫در آب و هوای گرم از قیر ‪ RS‬و در آب و هوای سرد از قیر ‪MS‬‬
‫استفاده میشود‪.‬‬
‫مشکالت اجرای کانالهای پوشش دار‬
‫• زیرسازی از مشکالت معمول در برخی خاکهای ویژه است‪.‬‬
‫• دوگروه از خاکهای مسئله آفرین ‪ :‬خاکهای واگرا‪ ،‬خاکهای متورم شونده‬
‫• کنترل پیامد این خاکها‪:‬‬
‫‪ ‬خاکهای مشکل دار در گستره وسیعی وجود دارند‪ :‬اصالح خاکها با‬
‫استفاده از مواد شیمیایی مثل ترکیبات کلسیم و حداقل رساندن تماس‬
‫آب با این خاکها‬
‫‪ ‬خاکهای بصورت رگه رگه ظاهر شده اند‪ :‬بازسازی با استفاده از‬
‫گودبرداری و جایگزین نمودن مصالح مناسب تر قابل تامین از منطقه‬
‫درزها‬
‫درزهای کور‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫برای مقابله با تنشهای حرارتی و تغییر شکلها درزگذاری در‬
‫پوششهای بتنی انجام میشود‪.‬‬
‫ً‬
‫درزهای کور عموما بلحاظ آببند نمودن و جلوگیری از نشت انجام‬
‫میشوند‪.‬‬
‫این درزها از تمام پوشش عبور نمیکنند‬
‫هندسه آن تابعی از ضخامت پوشش است که خود تابعی از ظرفیت‬
‫مجراست‪.‬‬
‫هدف از اجرای انها ایجاد مکانهای پیشبینی شده و قابل کنترل برای‬
‫وقوع ترکهای ناش ی از تغییر شکلهاست‪.‬‬
‫تعیین هندسه درز کور‬
‫فاصله بین دو درز‬
‫عمق درز‬
‫عرض شیار درز‬
‫ضخامت پوشش‬
‫)‪(m‬‬
‫)‪c(mm‬‬
‫)‪b(mm‬‬
‫)‪t(mm‬‬
‫‪3‬‬
‫‪17‬‬
‫‪8‬‬
‫‪50‬‬
‫‪3‬‬
‫‪20‬‬
‫‪8‬‬
‫‪65‬‬
‫‪4-5‬‬
‫‪27‬‬
‫‪11‬‬
‫‪75-80‬‬
‫‪4-5‬‬
‫‪30‬‬
‫‪11‬‬
‫‪90‬‬
‫‪4-5‬‬
‫‪33‬‬
‫‪11‬‬
‫‪>=100‬‬
‫• ماده آببند بایستی سیال گونه عمل کند و نشت را امکانپذیر ننماید‪.‬‬
‫روی سطح شیبدار جریان یابد و در مواقعی که دما باالست و مجرا بدون آب‬
‫است انعطافپذیری خود را حفظ کند‪.‬‬
‫اقتصادی و کم هزینه باشد‪.‬‬
‫متداولترین آب بندها دارای پایه قیری هستند‬
‫ماستیکها‪ ،‬قیرهای اصالح شده و مالتهای ریزدانه خمیری‬
‫درزهای اجرایی‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫درزهای اجرایی غیر قابل اجتناب برای انقباض یا انبساط هستند‪.‬‬
‫با ویژگی طوالنی کردن مسیر خزش ماده آب بندی کننده اجرا میشوند‪.‬‬
‫درزهای اجرایی ساده‬
‫درزهای اجرایی با نشیمن‬
‫درزهای اجرایی با نوار آب بند‬
‫درزهای اجرایی با زیرسری‬
‫زیرفشار(نیروی برکنش)‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫از عوامل بوجود آمدن زیرفشار هیدرواستاتیک تجمع آب در محیط متخلخل‬
‫دانهای پی‪ ،‬فرو رفتن آب به زیر بنای آبی با پیامد اشباع مصالح بستر و یا‬
‫وجود آب زیر زمینی در محل است‪.‬‬
‫با تغییر دبی و وزن آب در مجزا ممکن است از نظر کمی زیرفشار از مجموع‬
‫نیروهای وزن آب و وزن پوشش بیشتر شده و باعث تخریب پوشش گردد‪.‬‬
‫بدالیل اقتصادی استفاده از وزن پوشش برای غلبه بر زیر فشار و افزایش‬
‫مقاومت کشش ی از طریق مسلح کردن در اجرا منطقی بنظر نمیرسد‪.‬‬
‫برای زهکش ی متناسب با ضریب تراوایی مصالح بستراز یک یا هر دو روش زیر‬
‫استفاده میشود‪ :‬اجرا در مصالح با تراوایی نسبتا باال و اجرا در مصالح با‬
‫تراوایی کم‬
‫اجرا در مصالح با تراوایی باال‬
‫• متناسب با ظرفیت مجرا از یک یا چند ترانشه مجهز به لولههای‬
‫جمعآوری کننده استفاده میشود‪.‬‬
‫• لوله جمعآوری کننده با قطر ‪ 10‬تا ‪ 15‬سانتی متر داخل ترانشهای از‬
‫مصالح خود زهکش یشونده (دانهبندی بد) قرار میگیرد‪ .‬لوله بایستی‬
‫متخلخل و نفوذپذیر باشد‪.‬‬
‫• بهترین جنس برای لوله ‪ PVC‬و یا مواد پالستیکی است‪.‬لوله های پلی‬
‫اتیلن بعلت خرطومی بودن انعطاف پذیر بوده و مشبک هستند‪.‬‬
‫تخلیه از لوله های جمع آوری به دو صورت انجام میشود‪:‬‬
‫‪ ‬به نزدیکترین آبراهه با تبعیت از توپوگرافی‬
‫‪ ‬از داخل لوله به داخل مجرا توسط شیرهای یکطرفه فشارشکن‬
‫اجرا در مصالح با تراوایی اندک‬
‫• در این نوع مصالح بستر احداث ترانشههای زهکش ی کافی نبوده و در تمام‬
‫سطح پوشش از مصالح خود زهکش ی شونده استفاده میشود‪ .‬به این نوع‬
‫مصالح صافیهای ورقهای میگویند‪.‬‬
‫• صافی ورقهای توسط فشار شکن به داخل مجرا تخلیه انجام میدهد‪ .‬زیرا‬
‫حجم زهآب در این موارد کم و هزینه اجرایی بدلیل شیب زیاد منطقه کم‬
‫است‪.‬‬
‫عملیات خشک اندازی‬
‫• در جاهایی که سطح آب زیرزمینی باالست و مانع اجرای عملیات گودبرداری و‬
‫سایر عملیات اجرایی است سطح آب زیرزمینی را با پمپ هایی که روی لوله‬
‫های جمعآوری کننده نصب میشود پمپاژ کرده و پایین میاندازند‪ .‬به این‬
‫عملیات خشکاندازی میگویند‪ .‬این عملیات میتواند در برخی کارگاهها به حد‬
‫بحرانی برسد و در اجرای پی مشکالتی ایجاد کند‪.‬‬