چنانچه در مسیر آبرو یا خط‌القعری و به جهت ایجاد راه یا راه‌آهن از خاکریز استفاده شود، برای انتقال آب از یک سوی خاکریز به سمت دیگر آن، از سازه‌ای به نام کالورت استفاده می‌شود که در پایین‌ترین نقطه خط‌القعر ساخته می‌گردد. این نوع سازه‌ها اگرچه از نظر اجرایی ساده هستند، اما طرح هیدرولیکی آنها تا حدودی پیچیده و تابعی از عوامل مختلف است که به سادگی قابل تقسیم به جریان‌های تحت فشار یا آزاد نمی‌باشد، بلکه در برخی موارد ترکیبی از این دو حالت را دارا خواهد بود. از نقطه نظر هیدرولیکی، آنچه اهمیت دارد، این است که آیا کالورت جریان را به صورت پر از خود عبور می دهد یا نیمه پر. به عنوان مثال حتی اگر عمق پایاب در خروجی کالورت کمتر از ارتفاع آن باشد و یا اصطلاحاً کالورت غیرمستغرق باشد، بسته به این که ارتفاع آب در بالادست و نیز میزان افت انرژی چگونه باشد، ممکن است هر دو حالت پر یا نیمه پر اتفاق افتد.
به عبارت دیگر، عوامل مختلفی نظیر قطر (یا ابعاد مقطع)، طول و زبری کالورت، ارتفاع آب در بالادست و پایین دست و نیز شیب کالورت در چگونگی جریان در داخل آن موثر میباشد. اگر ورودی کالورت به گونه مناسب انتخاب گردد، یکی از مهمترین پارامترهای تعیین کننده طول آن خواهد بود و به همین جهت گاه از نظر هیدرولیکی کالورت را طولانی خوانند. آنگاه که جریان را به صورت پر از خود عبور دهد و گاه آن را کوتاه خوانند، زمانی که جریان را نیمه‌پر عبور دهد.
در کالورت‌ها، مقدار دبی با اعمال معادلات پیوستگی و انرژی بین دو مقطع ابتدایی و انتهایی آن بدست می‌آید و برحسب آن شیب کف کالورت تند یا ملایم باشد، می‌توان انواع مختلف جریان در داخل آن حاصل گردد. چنانچه شیب کالورت تند و ثابت باشد، امکان ایجاد جریان‌هایی مطابق شکل زیر بر حسب شرایط وجود خواهد داشت که در آنها y1 عبارت است از ارتفاع سطح آب نسبت به کف کالورت در بالادست و D قطر کالورت یا بعد قائم آن میباشد.
پروفیل انواع جریان در کالورت با شیب تند و ثابت
همانگونه که در شکل فوق مشاهده می‌شود، عمق جریان در ابتدای کالورت معادل عمق بحرانی و بر حسب آنکه عمق پایاب در چه موقعیتی می‌تواند به صورت آزاد یا پس از ایجاد یک پرش هیدرولیکی از کالورت خارج شود. در این صورت دبی بر اساس عمق بحرانی ابتدای سازه ورودی آن تعیین می‌گردد. شایان ذکر است که در یکی از حالات یاد شده اگرچه سطح آب در بالادست از تراز بالای کالورت بالاتر است، اما این اختلاف به گونه‌ای نیست که کالورت به صورت پر عمل نماید. در صورتی که سطح پایاب بالاتر از سقف کالورت در انتها باشد، پرش هیدرولیکی اتفاق خواهد افتاد و هرچه ارتفاع سرآب و پایاب بیشتر شده و یا مقاومت کالورت افزایش یابد، پرش به سمت بالادست حرکت خواهد کرد تا زمانی که به ورودی آن برسد. در این حالت ورودی کاملاً مستغرق و کالورت به صورت کاملاً پر عمل می‌نماید و دبی بر اساس مقاومت و افت انرژی کالورت در بالادست و پایین‌دست آن محاسبه می‌گردد.
در شکل زیر، حالتی که مقدار کمی با حالت قبلی متفاوت است، نشان داده شده است. در این شکل، قسمتی از کالورت با طول کم و شیب تند در ابتدا و بقیه با طول زیاد و شیب تقریباً افقی در انتها قرار داشته و تراز پایاب بالاتر از سقف کالورت در پایین‌دست میباشد. واضح است که تمام طول پایین دست و قسمتی از بالادست به صورت عمل پر خواهد نمود و منطقه تمام پرسازه تا آنجا به سمت بالادست نزدیک می‌شود که انرژی لازم برای طول پایین‌دست ایجاد گردد. در نتیجه در دبی‌های کم تنها طول کمی از قسمت دارای شیب تند به صورت تمام پر عمل نموده و ورودی کالورت دارای جریان آزاد خواهد بود (حالت 1 شکل زیر) و با افزایش دبی، پرش هیدرولیکی حاصله که منطقه تمام پر را ایجاد می‌نماید، کم‌کم به سمت بالا حرکت کرده تا جایی که ورودی مستغرق گشته و کل کالورت دارای جریان پر گردد (حالت 2 شکل زیر). در این حالت، دبی بوسیله افت انرژی سازه محاسبه می‌گردد. در صورتی که در حالت 1، تنها تابعی از شرایط ورودی است، اضافه می‌نماید. در این زمینه مسائل و موضوعات فراوانی است که احتیاج به تحقیقات بیشتری دارد. به عنوان مثال برای جریان پر در کالورت‌ها لازم نیست که حتماً عمق پایاب بالا باشد، بلکه حتی در کالورت‌های طولانی و شیب کم نیز این امر اتفاق می‌افتد، اگرچه در ابتدای آن ممکن است جریان آزاد وجود داشته باشد.
پروفیل جریان در کالورت با شیب متغیر
علاوه بر حالت فوق، Bodhaine در سال 1976 انواع جریان‌های موجود در کالورت‌های با شیب ثابت را به صورت شکل زیر نشان داد که مشخصات شش نوع جریان به همراه معادلات دبی برای هر یک در آن برآورد شده است. در این روابط، D: بیشترین ارتفاع کالورت در بالادست، CD: ضریب دبی، AC: سطح مقطع در حالت عمق بحرانی، V1: سرعت متوسط در مقطع موردنظر، a1: ضریب تصحیح سرعت در معادله انرژی، : افت انرژی بین دو مقطع 1 و 2، Lw: فاصله مقطع 1 (محل افت شدید سطح آب جهت ورود به کالورت) تا ورودی کالورت، K1: ضریب انتقال مقطع 1، Kc: ضریب انتقال مقطع بحرانی، : افت انرژی در طول کالورت، L: طول کالورت و سایر پارامترها در شکل مشخص می‌شود.
انواع جریان در کالورت‌ها (Ao: سطح مقطع کالورت)
نوع جریان و مشخصات دبی آن (با توجه به شکل بالا)
نوع 1) عمق بحرانی در ورودی:
نوع 2) عمق بحرانی در انتها:
نوع 3) جریان زیربحرانی در تمام کالورت (Sc<Sc ):
نوع 4) خروجی مستغرق (با هر نوع شیب):
نوع 5) جریان سریع در هر ورودی (با هر نوع شیب):
نوع 6) جریان پر با خروجی آزاد (با هر نوع شیب):
در روابط فوق ضریب مانینگ n تابعی از جنس کالورت و تا حدودی ابعاد کالورت است. جدول زیر، نمونه‌ای از مقادیر n برای کالورت‌های بتنی است که در سال 1976 توسط Bodhaine پیشنهاد گردیده است.
جدول ضریب n برای کالورت‌های بتنی
مشخصات بتن ضریب مانینگ n
خیلی صاف 010/0
صاف 015/0-011/0
بتن کارگاهی معمولی 015/0-012/0
بتن چکشی 020/0-015/0
نمودار 1، مقادیر CD را برای کالورت‌های لوله‌ای که کناره‌های ورودی آن عمود بر دیواره‌های اطراف می‌باشند، برای جریان‌های نوع 1، 2 و 3 ارائه می‌نماید. چنانچه ورودی گرد گوشه یا اریب باشد، بایستی ضرایب CD بدست آمده از نمودار 1 به ترتیب در مقادیر K2 (نمودار 2) و یا Kw (نمودار 3) ضرب گردد. شایان ذکر است که طبق آزمایشات انجام گرفته، در کالورت‌های با قطر 46/0 تا 91/0، مقدار CD تابعی از y1/D نبوده، ولذا برای این اقطار آن را ثابت و مساوی 95/0 درنظر می‌گیرند. همچنین در کالورت‌های دهانه زنگی نیز مقدار CD مساوی 95/0 فرض می‌گردد.
نمودار 1) مقادیر پایه CD برای جریان‌های نوع 1.2.3 در کالورت‌های لوله‌ای با ورودی عمود بر دیواره‌های اطراف.
نمودار 2) مقدار K3 برای جریان‌های نوع 1.2.3 برای کالورت‌های جعبه‌ای و لوله‌ای در صورتی که ورودی گرد گوشه باشد.
نمودار 3) مقدار Kw برای کالورت‌های لوله‌ای و جعبه‌ای در صورتی که ورودی اریب باشد.
برای گرد گوشه نمودن و یا اریب کردن ورودی کالورت‌ها، Bodhaine به عنوان نمونه جدول زیر را پیشنهاد می‌کند، اما در هر حال توصیه می‌کند که بهتر است اندازه‌گیری‌های عملی نیز صورت گیرد.
جدول مقادیر بر حسب D برای کالورت‌های ساخته شده از فلز موجدار
D(m) r/D W/D
61/0 031/0 0125/0
91/0 021/0 0083/0
2/1 016/0 0062/0
5/1 012/0 0050/0
8/1 010/0 0042/0
در کالورت‌های جعبه‌ای (کالورت با مقطع مستطیلی)، ضریب CD تابعی از عدد فرود بوده و چون در نوع‌های 1 و 2، عدد فرود مساوی 1 است، لذا CD=0.95، ولی در نوع 3، بایستی عدد فرود را در مقطع 3 محاسبه و سپس CD از نمودار زیر معین گردد. چنانچه در این حالت ورودی گرد گوشه و یا اریب باشد، مجدداً CD در ضرایب بدست آمده از اشکال قبل ضرب می‌گردد. چنانچه در ابتدای کالورت از دیواره‌های اضافی به عنوان بال هدایتی استفاده گردد، تاثیری در ضریب CD برای کالورت‌های لوله‌ای ندارد، اما در کالورت‌های جعبه‌ای موثر بوده که در اینصورت مقادیر CD بدست آمده از شکل قبل در ضریب Kθ حاصل از نمودار ب ضرب می‌گردد و چنانچه بال‌ها نامتقارن باشند، برای هر بال مقدار Kθ مجزا حساب شده و متوسط آن در CD ضرب خواهد گردید.
نمودار الف) مقادیر پایه CD برای جریان‌های نوع 1، 2 و 3 در کالورت‌های جعبه‌ای با ورودی عمود بر دیواره‌های اطراف
نمودار ب) مقدار Kθ برای جریان‌های نوع 1.2.3 در کالورت‌های جعبه‌ای با بال‌های هدایتی ساخته شده از خاکریز شیبدار
در حالت کلی، اضافه می‌شود که برای جریان‌های نوع 1.2.3، یک تصحیح نهایی برای CD به صورت زیر لازن است:
m نسبت انقباض، A1 سطح مقطع جریان در مقطعی که سطح آب شروع به کاهش می‌کند و A سطح مقطع جریان در پایانه. در این صورت مقدار ضریب CD که بایستی نهایتاً در معادله دبی مورد استفاده قرار گیرد، عبارت خواهد بود از:
در صورتی که نوع جریان 4 یا 6 باشد، مقدار CD برای کالورت‌های لوله‌ای یا جعبه‌ای، بر حسب اینکه ورودی آنها دارای چه مشخصاتی باشد، از جدول زیر بدست می‌آید. چنانچه در ورودی کالورت‌ها از بال‌های هدایت کننده استفاده شود، داریم:
1. قسمت بالای ورودی عمود بر دیواره بیرونی:
2. قسمت بالای ورودی گرد گوشه و یا اریب:
از جدول زیر بدست می‌آید: (در هر حالت )
برای مقادیر می‌توان مقدار CD را از روش درون‌یابی محاسبه نمود.
جدول ضریب CD برای کالورت‌های جعبه‌ای و لوله‌ای برای جریان‌های نوع 4.6
0 02/0 04/0 06/0 08/0 010/0 12/0
CD 84/0 88/0 91/0 94/0 96/0 97/0 98/0
جدول ضریب CD برای کالورت‌های لوله‌ای یا جعبه‌ای برای جریان نوع 5
012/0 010/0 08/0 06/0 04/0 02/0 0
51/0 51/0 50/0 50/0 79/0 46/0 44/0 4/1
54/0 54/0 53/0 53/0 52/0 49/0 46/0 5/1
56/0 56/0 55/0 55/0 54/0 51/0 47/0 6/1
57/0 57/0 57/0 57/0 55/0 52/0 48/0 7/1
58/0 58/0 58/ 058/ 57/0 54/0 49/0 8/1
60/0 60/0 60/0 59/0 58/0 55/0 50/0 9/1
62/0 61/0 61/0 60/0 59/0 56/0 51/0 2
66/0 65/0 64/0 64/0 62/0 59/0 54/0 5/2
70/0 69/0 67/0 66/0 64/0 61/0 55/0 3
71/0 70/0 69/0 67/0 65/0 62/0 57/0 5/3
72/0 71/0 70/0 68/0 66/0 63/0 58/0 4
73/0 72/0 71/0 69/0 67/0 64/0 59/0 5
در صورتی که جریان نوع 5 باشد مقدار CD در جدول زیر برای کالورت‌های لوله‌ای یا جعبه‌ای آورده شده است و چنانچه کالورت جعبه‌ای دارای بال‌های هدایتی نیز بوده و قسمت بالای ورودی راست گوشه باشد، جدول بعدی مقدار CD را خواهد بود.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 15 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله کالورت‌ها یا آبرو‌های زیرزمینی