روش طراحی ارائه شده در آموزش تهویه مطبوع برای سایزینگ کانال های تاسیساتی براساس مفهوم حداکثر نیروی کششی مجاز است. این روش دارای دو بخش است، محاسبه شرایط جریان بر اساس دبی معین مورد نیاز و یا افت فشار در کانال. شرایط جریان تابعی از هندسه کانال، دبی طراحی، زبری کانال، تراز کانال و شیب کانال است. افت فشار را می توان با محاسبه تنش برشی در کانال و مقایسه آن با تنش با مقدار مجاز برای نوع متریال که مرز کانال را تشکیل می دهد، تعیین کرد.
نوع جریان
برای اهداف طراحی در کانال های تاسیساتی، شرایط هیدرولیک معمولاً یکنواخت و ثابت فرض می شود. این بدان معنی است که شیب انرژی تقریباً برابر با شیب متوسط خندق است و سرعت جریان به تدریج در طول زمان تغییر می کند. این اجازه می دهد تا شرایط جریان با استفاده از معادله مقاومت جریان برای تعیین عمق جریان عادی تخمین زده شود. شرایط جریان می تواند ملایم (زیر بحرانی) یا تند (فوق بحرانی) باشد. جریان فوق بحرانی ممکن است امواج سطحی ایجاد کند که ارتفاع آنها به عمق جریان نزدیک می شود. برای شیب کانال های بسیار شیب دار، جریان ممکن است به شکل متلاطم پاشیده و موج بزند و ملاحظات خاصی برای کانال مورد نیاز است.
از نظر فنی، جریان کانال باز را می توان بر اساس سه شرط کلی طبقه بندی کرد:
- جریان یکنواخت یا غیر یکنواخت
- جریان ثابت یا ناپایدار
- جریان زیر بحرانی یا فوق بحرانی
در جریان یکنواخت، عمق و دبی در طول کانال ثابت می ماند. در جریان ثابت، هیچ تغییری در تخلیه در طول زمان رخ نمی دهد. بیشتر جریان های طبیعی ناپایدار هستند و توسط هیدروگراف های جریان توصیف می شوند. در بیشتر موارد می توان فرض کرد که جریان به تدریج تغییر می کند و می توان آن را به عنوان جریان ثابت و یکنواخت برای دوره های زمانی کوتاه توصیف کرد. جریان زیربحرانی با یک عدد بی بعد به نام عدد فرود (Fr) از جریان فوق بحرانی متمایز می شود که به عنوان نسبت نیروهای اینرسی به نیروهای گرانشی در سیستم تعریف می شود. جریان زیر بحرانی (Fr < 1.0) به عنوان آرام مشخص می شود و لایه جریان عمیق تر و کندتر است. در یک کانال کوچک، هنگامی که یک موج کم عمق در جهت بالادست و پایین دست حرکت می کند، جریان زیربحرانی را می توان مشاهده کرد. جریان فوق بحرانی (Fr > 1.0) به عنوان جریان سریع و کم عمق و با سرعت بالا مشخص می شود. در جریان بحرانی و فوق بحرانی، یک موج کم عمق فقط در جهت پایین دست حرکت می کند.
شرایط جریان یکنواخت در یک کانال در یک دبی شناخته شده با استفاده از معادله منینگ محاسبه می شود:
Q=(α/n).AR2/3.Sf1/2
Q = دبی حجمی جریان m3/s (ft3/s)
n = ضریب زبری منینگ، بدون بعد
A = سطح مقطع کانال بر حسب m2 (ft2)
R = شعاع هیدرولیک بر حسب m (ft)
Sf = گرادیان اصطکاک، که برای شرایط جریان یکنواخت برابر با گرادیان بستر کانال است.
α = ثابت تبدیل واحد
مقاومت در برابر جریان
برای انواع پوشش کانال صلب، ضریب زبری منینگ n، تقریباً ثابت است. با این حال، برای جریان های بسیار کم عمق، ضریب زبری اندکی افزایش می یابد. (در جایی که ارتفاع زبری حدود یک دهم عمق جریان یا بیشتر باشد، بسیار کم عمق تعریف می شود.) برای پوشش ریپراپ، عمق جریان در کانال های کوچک ممکن است تنها چند برابر بیشتر از قطر اندازه متوسط ریپاپ است. در این حالت، استفاده از مقدار ثابت n قابل قبول نیست و باید با استفاده از مقدار n بالاتر، عمق جریان کم را در نظر گرفت.
مفاهیم تعادل
مفاهیم طراحی کانال پایدار بر ارزیابی و تعریف یک پیکربندی کانال متمرکز است که در محدوده‌های قابل قبول پایداری عمل می‌کند. روش های ارزیابی و تعریف یک پیکربندی پایدار به این بستگی دارد که آیا مرزهای کانال را می توان به صورت زیر مشاهده کرد:
اساساً صلب (استاتیک)
متحرک (پویا)
در حالت اول، پایداری زمانی حاصل می شود که ماده تشکیل دهنده مرز کانال به طور موثر در برابر نیروهای فرسایشی جریان مقاومت کند. در چنین شرایطی بستر کانال و کرانه ها در تعادل استاتیکی هستند و اساساً در تمام مراحل جریان بدون تغییر باقی می مانند. برای ارزیابی این نوع سیستم می توان از اصول هیدرولیک مرز صلب استفاده کرد.
در یک سیستم پویا، به دلیل انتقال رسوبات که مرز کانال را تشکیل می دهند، مقداری تغییر در بستر کانال و/یا سواحل قابل انتظار است. پایداری در یک سیستم دینامیکی زمانی حاصل می شود که میزان رسوب ورودی با نرخ انتقال رسوب برابر باشد. این شرایط که در آن عرضه رسوب برابر با انتقال رسوب است، تعادل دینامیکی نامیده می شود. اگرچه مقداری جدا شدن و انتقال رسوبات بستر و/یا کناری رخ می دهد، اما این مانع از دستیابی به پیکربندی کانالی که اساساً پایدار است، نمی شود. تا زمانی که تغییر خالص از سطوح قابل قبول فراتر نرود، یک سیستم پویا را می توان پایدار در نظر گرفت. به دلیل نیاز به قابلیت اطمینان، شرایط تعادل ایستا و استفاده از آستر برای دستیابی به شرایط پایدار معمولاً به استفاده از مفاهیم تعادل پویا ارجحیت دارد.
برای تعیین پایداری یک کانال که مرزهای ان بی حرکت هستند و به اصطلاح در تعادل استاتیکی است دو روش توسعه داده شده است:
1) رویکرد سرعت مجاز
2) رویکرد نیروی کششی مجاز (تنش برشی)
تحت رویکرد سرعت مجاز، اگر سرعت متوسط کمتر از حداکثر سرعت مجاز باشد، کانال پایدار فرض می شود.
رویکرد نیروی کششی (تنش برشی مرزی) بر تنش های ایجاد شده در سطح مشترک بین آب جاری و مواد تشکیل دهنده مرز کانال متمرکز است. طبق تعریف چاو، نیروی کششی مجاز حداکثر واحد نیروی کششی است که باعث فرسایش جدی مواد بستر کانال از بستر کانال تراز نمی شود .
روش های سرعت مجاز برای اولین بار در حدود دهه 1920 توسعه یافتند. در دهه 1950، بر اساس تحقیقات تحقیقاتی انجام شده توسط اداره احیای ایالات متحده، روش های نیروی کششی مجاز به رسمیت شناخته شد. رویه‌های طراحی کانالهای پوشش گیاهی با استفاده از رویکرد سرعت مجاز توسط SCS توسعه داده شد.
علیرغم ماهیت تجربی رویکردهای سرعت مجاز، این روش برای طراحی تجهیزات ثابت و تجهیزات دوار کانال های پایدار متعدد در ایالات متحده و در سراسر جهان به کار گرفته شده است. با این حال، با توجه به فرآیندهای فیزیکی واقعی که در جریان کانال باز اتفاق می‌افتند، یک مدل واقعی‌تر از فرآیندهای جداشدگی و فرسایش مبتنی بر نیروی کششی مجاز است.
تنش برشی اعمالی
نیروی هیدرودینامیکی جریان آب در یک کانال به عنوان نیروی کششی شناخته می شود. اساس طراحی کانال پایدار با مواد پوشش انعطاف پذیر این است که نیروی کششی ناشی از جریان نباید از تنش برشی مجاز یا بحرانی مواد پوشش تجاوز کند. در یک جریان یکنواخت، نیروی کششی برابر با مؤلفه مؤثر نیروی کششی است که بر روی بدنه آب، موازی با کف کانال تأثیر می گذارد (چو، 1959). میانگین تنش برشی مرزی اعمال شده به محیط خیس شده برابر است با:
0=γRS0τ
τo = میانگین تنش برشی مرزی بر حسب N/m2 (lb/ft2)
γ = واحد وزن آب، 9810 نیوتن بر متر مکعب (62.4 پوند بر فوت مکعب)
R = شعاع هیدرولیک بر حسب m (ft)
S0 = متوسط شیب پایین (برابر با شیب انرژی برای جریان یکنواخت)، m/m (ft/ft)
تنش برشی در کانال ها به طور یکنواخت در امتداد محیط خیس شده توزیع نمی شود. تنش برشی در سطح آب صفر است و در خط مرکزی کانال به حداکثر می رسد. حداکثر برای شیب های جانبی در حدود یک سوم پایین ضلع رخ می دهد.
حداکثر تنش برشی در کف کانال، τd، و در سمت کانال، τs، در یک کانال مستقیم به شکل کانال بستگی دارد. برای ساده سازی فرآیند طراحی، حداکثر تنش برشی پایین کانال به صورت زیر در نظر گرفته می شود:
τd = γ dSo
τd = تنش برشی در کانال در حداکثر عمق بر حسب N/m2 (lb/ft2)
d = حداکثر عمق جریان در کانال برای تخلیه طراحی بر حسب m (ft)
برای کانال های ذوزنقه ای که نسبت عرض پایین به عمق جریان (B/d) بیشتر از 4 است، این رابطه یک مقدار طراحی مناسب برای تنش برشی در کف کانال ارائه می دهد. اکثر کانال های تاسیساتی با این جریان نسبتا کم عمق در مقایسه با عرض کانال مشخص می شوند. برای کانال های ذوزنقه ای با نسبت B/d کمتر از 4، این رابطه محافظه کار است. برای مثال، برای نسبت B/d 3، معادله تنش برشی واقعی پایین را 3 تا 5 درصد برای مقادیر شیب جانبی (Z) 6 تا 1.5 به ترتیب بیش از حد برآورد می کند.
برای نسبت B/d 1، معادله تنش برشی واقعی را 24 تا 35 درصد برای همان مقادیر شیب جانبی 6 تا 1.5 برآورد می کند. به طور کلی، معادله در موارد کانال های نسبتاً باریک با شیب های جانبی تند بیش از حد برآورد می شود.
برای محاسبه دبی کلی عبوری از کانال از رابطه زیر استفاده می شود
Q =VA
V = سرعت جریان بر حسب m/s (ft/s)
A = مساحت جریان بر حسب m2 (ft 2)
گفتنی است که سرعت مجاز با شعاع هیدرولیکی تغییر می کند. با این حال، سرعت مجاز به شعاع هیدرولیکی بسیار حساس نیست چرا که با توان تنها 6/1 از شعاع تغییر می کند. علاوه بر این، n با شرایط هیدرولیکی تغییر می کند و باعث تغییر بیشتر در سرعت مجاز می شود. روش نیروی کششی در مقایسه با روش سرعت مجاز چند مزیت دارد. اول، معیارهای شکست برای یک پوشش خاص با یک مقدار تنش برشی مجاز منفرد نشان داده می‌شود که در طیف وسیعی از شیب‌های کانال و شکل کانال قابل اعمال است. دوم، تنش های برشی به راحتی با استفاده از این رابطه محاسبه می شوند. معادله همچنین در قضاوت در مورد عملکرد میدان پوشش کانال مفید است، زیرا ممکن است عمق و گرادیان در میدان آسان‌تر از سرعت کانال اندازه‌گیری شود. مزیت رویکرد سرعت مجاز این است که اکثر طراحان با محدوده سرعت آشنا هستند و نسبت به شرایط قابل قبول احساس دارند.
پارامترهای طراحی
فرکانس تخلیه طراحی
نرخ جریان طراحی برای خطوط دائمی کنار کانال تاسیساتی متوسط معمولاً یک دوره بازگشت 5 یا 10 ساله دارد. در صورت استفاده از آستر انتقالی، معمولاً میانگین طوفان سالانه (تقریباً یک دوره بازگشت 2 ساله، یعنی 50 درصد احتمال وقوع در یک سال)، جریان دوره بازگشت کمتر مجاز است. پوشش های کانال انتقالی اغلب در طول استقرار پوشش گیاهی استفاده می شود. احتمال آسیب در این زمان نسبتاً کوتاه کم است و در صورت آسیب دیدن آستر، تعمیرات به راحتی انجام می شود.
هندسه مقطع کانال
اکثر کانال های تاسیساتی به شکل ذوزنقه یا مثلثی با گوشه های گرد هستند. برای اهداف طراحی، یک نمایش ذوزنقه ای یا مثلثی کافی است. طراحی کانال ها باید با طراحی هندسی و روسازی ادغام شود تا از در نظر گرفتن مناسب ایمنی و نیازهای تاسیساتی روسازی اطمینان حاصل شود. اگر مشخص شد که پوشش های کانال موجود برای هندسه کانال انتخابی ناکافی هستند، ممکن است امکان گسترش کانال وجود داشته باشد. افزایش عرض پایین یا صاف کردن شیب های جانبی می تواند این کار را انجام دهد. تعریض کانال باعث کاهش عمق جریان و کاهش تنش برشی در محیط کانال می شود. عرض کانالها محدود به نسبت عرض بالا به عمق کمتر از حدود 20 است. کانالهای بسیار عریض قابلیت تشکیل کانالهای کارآمدتر کوچکتر را دارند که تنش برشی را بالاتر از محدوده طراحی برنامه‌ریزی‌شده افزایش می‌دهد.
نشان داده شده است که اگر یک کانال با خط شکاف دارای شیب های جانبی 1:3 یا مسطح تر باشد، نیازی به بررسی کرانه ها برای فرسایش نیست. با شیب های جانبی تندتر از 1:3، ترکیبی از تنش برشی در برابر کرانه و وزن پوشش ممکن است قبل از اینکه کف کانال مختل شود، باعث فرسایش در کناره ها شود. روش طراحی در این راهنما شامل رویه هایی برای بررسی کفایت کانال ها با شیب های جانبی تند می باشد.
معادلات برای تعیین سطح مقطع، محیط خیس شده و عرض بالای هندسه کانال که معمولاً برای کانال های تاسیساتی بزرگراه استفاده می شود.
شیب کانال
شیب یک کانال معمولاً تابع شیب و مشخصات مسیر است و بنابراین یک گزینه طراحی نیست. اگر شرایط پایداری کانال کمتر از عملکرد مورد نیاز باشد و پوشش‌های موجود تقریباً کافی باشد، ممکن است بتوان شیب کانال را کمی نسبت به پروفیل مسیرکاهش داد. برای کانالهای خارج از جاده، گزینه‌های طراحی درجه‌بندی بیشتری برای تنظیم شیب کانال در صورت لزوم وجود خواهد داشت.
شیب کانال یکی از پارامترهای اصلی در تعیین تنش برشی است. برای یک دبی طراحی معین، تنش برشی در کانال با شیب ملایم یا زیر بحرانی کوچکتر از کانالی با شیب فوق بحرانی است. کانال های کنار جاده با شیب بیش از حدود دو درصد معمولاً در حالت فوق بحرانی جریان دارند.
فری برد ” freeboard”
freeboard یک کانال، فاصله عمودی از سطح آب تا بالای کانال در شرایط طراحی است. اهمیت این عامل به پیامد سرریز کانال بستگی دارد. حداقل، freeboard باید برای جلوگیری از شستن امواج یا نوسانات سطح آب از طرفین کافی باشد. در یک کانال تاسیساتی دائمی، حدود 0.15 متر (0.5 فوت) freboard کافی است و برای کانال های انتقالی، freboard صفر ممکن است قابل قبول باشد. کانال های شیب دار باید دارای ارتفاع freboard برابر با عمق جریان باشند. این امر موجب می شود تا تغییرات زیادی در عمق جریان برای کانال های شیب دار ناشی از امواج، پاشیدن و موج زدن رخ دهد.
