תכנון מעבירי מים אגן היקוות ערוץ כביש חישוב ספיקת השיא לתכן על פי חישובי ספיקת שיא,CIA) תחלס, תחלסון וכד' ( קיים תקן הקושר את גודל הכביש לתקופת החזרה באופן כללי התכנון בארץ נעשה לתקופת חזרה של 50 שנה (2%=p ( אם אין החלטה אחרת, אבל בכבישים מהירים מקובל 100 ואף 200 שנה.
תכנון מעבירי מים התכנון הכללי נעשה עבור T=50 שנה ובדיקה עבור 100=T שאין טיבוע של הכביש וסחף מכוניות. לרמת טיבוע מעביר של 80% הכביש על מנת למנוע חתירת 0.8D סחף השוקע בתוך המעביר עלול להקטין את חתך הזרימה. זה מצריך תחזוקה שוטפת שלא תמיד זמינה, לכן משתמשים בספיקת תכן (1<a). Q*=aQ המקדם a ייקבע שרירותית מתנאי השטח בהתאם לנגר (מהירות זרימה) ופוטנציאל הסחיפה של הקרקע.
תכנון מעביר מים - מוצא המעביר אזור המוצא הוא בעייתי מבחינת חתירה: באזור מישורי עלול להיווצר זנק במוצא ולגרום לחתירה שתיצור נזק מהמוצא כלפי המעלה עד כדי הרס הכביש, לכן היציאה מחייבת הגנה באבן. שיפוע נמוך - הגנה קצרה ברוחב המעביר שיפוע גבוה - יש ליצור אגן שיכוך מעוגן על מנת להבטיח כי הזנק יהיה באגן השיכוך ולהאט את מהירות הזרימה באזור תלול בו יש הפרש גובה גדול בין פתח היציאה של המעביר לקרקעית הערוץ בונים תללה מבטון שתוליך את המים בצורה מוגנת מהמוצא אל הערוץ. ככל ששיפוע המורד גדול יותר עולה החשיבות שלהסדרת המוצא.
תכן מעבירי מים מעבירי מים מתחת לכבישים ודרכי עפר מעבירי מים ביציאה ממתקנים הידראולים (ברכות, מאגרים) - - מטרת התכנון היא להעביר את ספיקת התכן (בהסתברות נתונה) הכביש לצדו השני, ללא הצפתו או פגיעה בתשתיות. מצד אחד של תוצאות התכנון גיאומטרית וממדי המעביר ספיקות התכן שניתן להעביר בו תחת אילוצי הרומים (IL) בכניסה וביציאה ואילוצי רום מים מקסימלי השפעת מעביר המים על רום המים במורד ובמעלה הזרימה עקומות הידראוליות לניתוח רגישות פני המים בתנאים קיצוניים למטרת הערכת סיכונים
מודלי זרימה וחישוב ע"פ שני מצבים קיצוניים: Outlet Control הפסד העומד העיקרי נובע כתוצאה מהזרימה בתוך המעביר עצמו. הפסדי העומד בכניסה וביציאה קטנים יחסית אך מתחשבים גם בהם. החישוב הוא לגובה פני המים במעלה. לגובה פני המים במורד חשיבות גדולה לגבי התוצאה במעלה. Inlet Control ההנחה היא כי הפסד העומד העיקרי הוא בכניסה למעביר. החישוב מזניח את החיכוך בתוך המעביר ואת הפסדי היציאה. החישוב הוא לגובה פני המים במעלה. 2 P v P EGL = + z + HGL = + z g 2g g
בקרת כניסה ויציאה
היות והמעביר יכול לעבוד בשני התנאים, מחשבים ע"פ שניהם נלקח לצורך התכנון. והיותר מחמיר בקרת יציאה משתמשים בהגדרת האנרגיה הקלאסית מותאמת להדראוליקת המעביר: V V HW + 2g 2g 2 2 u d 0 + = TW + HL = HW 0 = = = = V u TW V d H L גובה המים מעל IL (מ) כניסה מהירות המים בכניסה למעביר גובה פני המים מעל IL מהירות המים ביציאה סכום כל ההפסדים יציאה (מ/ש) (מ/ש) (מ) (כניסה, חיכוך בתוך המעביר והפסדי יציאה) (מ)
הפסדי עומד (בקרת יציאה) הפסדי חיכוך בתוך המעביר: עקב אורכו הקצר של המעביר, הזרימה בו איננה קצובה ולכן צריך לפתור בסגמנטים קטנים ע"פ הגדרת סוג זרימה, השיפוע וכד'. H e = K e ( 2 V 2g ) הפסדי חיכוך בכניסה: = K e מקדם הפסד העומד בכניסה = V מהירות המים קצת לפני הכניסה למעביר (מ/ש)
מקור: Haestad, 1995
ILRI מקור:
ILRI מקור:
הפסדי עומד ביציאה (בקרת יציאה) DH out é 2 V = 1.0ê êë 2g - V 2 d 2g ù ú úû המהירות בתעלה ביציאה מהמעביר (מ/ש) = V d המהירות בקצה המעביר (מ/ש) = V ΔH out = K V 2 out 2g גישה אחרת: על פי טבלאות (ILRI (ראה K
חישוב ההפסדים בתוך המעביר (בקרת יציאה) בזרימה נורמלית מחשבים את הפסד העומד בעזרת נוסחת מאנינג מתוך ידיעת המהירות הממוצעת. עבור זרימה לא יציבה כמעט תמיד הזרימה במעביר אינה קבועה ונורמלית אלא זרימת מעבר בין מצב יציב אחד לשני. החישוב ההידראולי מורכב ומבוצע ע"י תוכנות מחשב או נומוגרמות. בתוכנה על המהנדס להציב את תנאי הגבול של הזרימה. יש למצוא את גובה הזרימה הנורמלי ע"פ מאנינג ואת הגובה הקריטי וע"פ תנאי השפה להגדיר: אזור זרימה אזור זרימה אזור זרימה :1 :2 :3 גובה הזרימה גבוה מזרימה נורמלית ומהגובה הקריטי גובה הזרימה בין הגובה הנורמלי לגובה הקריטי גובה הזרימה נמוך מהגובה הנורמלי והגובה הקריטי
חישוב שיפוע הזרימה אם הגובה הנורמלי גבוה מהגובה הקריטי השיפוע מוגדר כמתון. אם הגובה הנורמלי שווה לגובה הקריטי השיפוע מוגדר כקריטי. אם הגובה הנורמלי נמוך מהגובה הקריטי, השיפוע יוגדר כתלול. ניתן להגדיר גם שיפוע אופקי ושיפוע הפוך (ראה ציור)
תזכורת: חישוב גובה קריטי A T 3 = Q g 2 שטח חתך הזרימה (מ) A רוחב הזרימה העליון (מ) T ספיקה (מ"ק לשניה) Q תאוצת הכובד (מ/ש ( 2 g בהתאם לגיאומטרית התעלה ניתן לחלץ את גובה הזרימה הקריטי.
וספיקה 3 דוגמא תעלה משולשית עם = m 2, עומק זרימה = 1.2 מטר, שיפוע 0.5% מ"ק לשניה. האם הזרימה היא על קריטית, תת קריטית או קריטית? פתרון: T = 4 h A = T * h / 2 = 2 h 2 h cr = 0.86 m (2h 2 4h ) 3 = Q g 2 כלומר הזרימה היא תת קריטית.
הפסדי העומד העיקריים הם בכניסה תכנון על פי בקרת כניסה שלשה משטרי זרימה: זרימה חופשית (לא מטובע) מטובע זרימת ביניים (כמעט מטובע)
זרימה לא מטובעת שתי משוואות שפותחו בארה"ב (יש להמיר יחידות לפני השימוש) HW D i M é Q ù = k 0.5. 1 ê ëad ú û HW D M i - H c é Q ù = + k 0.5S 0.5 D ê ëad ú û. 2 (ft) גובה פני המים בכניסה למעביר = HW i (ft) גובה פנימי של המעביר (ריצפה עד תקרה) = D (ft 3 /s) ספיקה = Q y c +v 2 c /2g = עומד המים בגובה הקריטי = H c (ft 3 ) שטח חתך המעביר = A S שיפוע המעביר (מ/מ) K ו = M קבועים שערכיהם נתונים בטבלאות
HWi é Q ù = c + Y - 0.5 D ê ëad ú û 2 0.5S זרימה מטובעת משוואת זרימה בחריר: המשוואה מתאימה עבור: > 4 ) 0.5 Q/(AD (ft) גובה פני המים בכניסה למעביר = HW i (ft) גובה פנימי של המעביר (ריצפה עד תקרה) = D (ft 3 /s) ספיקה = Q y c +v 2 c /2g = עומד המים בגובה הקריטי = H c (ft 3 ) שטח חתך המעביר = A S שיפוע המעביר c ו = Y קבועים שערכיהם נתונים בטבלאות
תכנון מעבירי מים בעזרת נומוגרמות התכנון בשיטת ניסוי וטעייה. יש לבחור את הנומוגרמה המתאימה ביותר למעביר אותו בודקים או מתכננים (מלבני, עגול, עם כנפיים בזווית x וכד'). הנומוגרמות נותנות את גובה פני המים במעלה במעביר כפונקציה של סוג, גיאומטרית וממדי המעביר, והספיקה. הנומוגרמות לא נותנות פתרון לבעיות הבאות: מה קורה למים אם הכביש מוצף, ארוזיה בדפנות המעביר, שיקוע סחופת, הערמות לאחור במעלה, השפעה על הדראוליקת התעלה במורד.
מקורות לקריאה נוספת חפשו בספריה או באינטרנט תחת הערך Culvert Design הנתונים בהרצאה הנוכחית נלקחו מהספר: Computer Applications in Hydraulic Engineering פרק שהורד מהאינטרנט (קובץ pdf של 80 עמודים) יועלה על ה Moodle תוכנת HEC RAS תומכת בתכנון מעבירי מים..1.2.3.4