دانشکده فنی مهندسی
مهندسی عمران گرایش مدیریت و مهندسی منابع آب
کالورت ها
پدید آورنده:…..
استاد:……
مرداد 1400
کالورت
سازه ای ایست که به منظور انتقال آب از یک سوی خاکریز به سوی دیگر ساخته می شود. این نوع سازه ها اگرچه از نظر سازه ای ساده هستند، اما طرح هیدرولیکی آنها تا حدودی پیچیده و تابعی از عوامل مختلف است که به سادگی قابل تقسیم به جریان های تحت فشار یا آزاد نمی باشد بلکه در مواردی ترکیبی از این دو حالت را دارا خواهد بود. در واقع کالولت یک ساختار تونلی است مانند ساختار زیر جاده ها یا خطوط راه آهن برای ایجاد زهکشی متقابل آب یا مایع و ایجاد کابل برق یا کابل دیگر از یک طرف به دیگر.
کالورت
به طور کلی چنان چه در مسیر آبرو یا خط القعری و به جهت ایجاد راه یا راه آهن از خاکریز استفاده شود، برای انتقال آب از یک سوی خاکریز به سمت دیگر آن، از کالورت ها یا آبروهای زیرزمینی استفاده می شود که در پایین ترین نقطه خط القعر ساخته می گردد. کالورت ها اگر چه از نظر اجرایی ساده هستند اما طرح هیدرولیکی آن ها تا حدودی پیچیده و تابعی از عوامل مختلف است که به سادگی قابل تقسیم به جریان های تحت فشار یا آزاد نمی باشد بلکه در برخی موارد ترکیبی از این دو حالت را دارا خواهد بود.
اجزای سازه کالورت
به طور کلی کالورت از دو نوع بتن و فلز ساخته میشود که نوع بتنی کاربرد بیشتری داشته و در اکثر مناطق از همین نوع استفاده میشود. کالورت بتنی پیش ساخته نیز از انواع بتن اماده است که به دلیل پیش ساخته بودن مزیت هایی را دارد، این قطعه به عنوان راه حلی خوب برای احداث امن زیرگذرهاست. ویژگی هایی چون نصب سریع و آسان، بیشترین میزان بهره برداری با حداقل حفاری، به حداقل رسیدن زمان اختلال در جاده ها، اقتصادی و سریع بودن آن و قابلیت داشتن خروج اضطراری به عنوان مسیر جایگزین در شرایط بحرانی همگی در کنار هم سبب شده کالورت به نوعی سازه ای ضروری شناخته شود.علاوه بر تمام این ها کالورت تماما از مواد طبیعی و غیر سمی ساخته شده به همین دلیل گزینه ای کاملا ایده آل برای انتقال آب و حفظ سلامت آن محسوب میشود.
قبل از پیدایش لوله های پلی اتیلنی از لوله های بتنی برای این منظور استفاده می شد اما به دلیل نقاط ضعف متعدد این سیستمها نسبت به لوله های پلی اتیلنی، تقریبا کاربرد آنها منسوخ شده است.
معایب لوله های بتنی در کالورت
• بتن امکان خوردگی و پوسیده شدن را دارا می باشد.
• بتن به دلیل اینکه بارهای کششی را تحمل نمی کند گزینه مناسبی برای این منظور نیست زیرا ممکن است به دلیل تغییرات شرایط آب و هوایی منطقه انبساط و انقباض هایی در لوله رخ دهد که باعث به وجود آمدن تنشهای ناچیز کششی و متلاشی شدن لوله بتنی گردند.
• بتن نسبت به پلی اتیلن از عمر کمتری برخوردار می باشد.
• بتن قابلیت انعطاف پذیری که نقش مهمی در بارهای وارده به لوله بازی می کند را ندارد.
• لوله های بتنی بسیار ینگین تر از لوله های پلی اتیلنی می باشند.
• نصب لوله های بتنی بسیار مشکل می باشد.
نمونه کالورت بتنی و پلی اتیلن دو جداره
آسیب های کالورت
اولین و مهم ترین آسیبی که ممکن است یک کالورت در معرض آن قرار داشته باشد فرسایش بتن است، بر اثر عوامل مختلفی چون عدم نگهداری مناسب پل ها و همینطور ایزوله نکردن پل در برابر عوامل خورنده ای که در خاک و هوا وجود دارند در ابتدا آرماتورها فرسوده شده و در ادامه بتن پوسته دچار خوردگی میشود و فرو میریزد.
اگر در ساخت پل، فولاد نیز به کار رفته باشد، تمام این عوامل دست به دست هم میدهد تا سرعت خوردگی فولاد نیز افزایش یابد و فولاد بدون هیچ گونه پوششی در معرض هوای اطراف سازه قرار گیرد. خوردگی از مخرب ترین و مهم ترین عواملی است که سبب کاهش عمر در پل های فولادی و بتنی میشود که گاه میتواند منجر به فروریختن این قبیل پل ها بدون پیش آگاهی باشد.
کالورت از نقطه نظر هیدرولیکی
از نقطه نظر هیدرولیکی آن چه 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 اصطلاحا کالورت غیر مستغرق 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 می باشند. اگر ورودی کالورت ها به گونه ای مناسب انتخاب گردد، یکی از مهم ترین پارامترهای تعیین کننده، طول آن خواهد بود و به همین جهت گاه نیز از نظر هیدرولیکی کالورت را طولانی خوانند، آن گاه که جریان را به صورت پر از خود عبور دهد و گاه آن را کوتاه خوانند که جریان را نیمه پر عبور دهد.
کالورت از نقطه نظر هیدرولیکی
در کالورت ها مقدار دبی با اعمال معادلات پیوستگی و انرژی بین دو مقطع ابتدایی و انتهایی آن بدست می آید و بر حسب آن که شیب کالورت تند یا ملایم باشد، می تواند انواع متخلف جریان در داخل آن حاصل گردد. چنان چه شیب کالورت تند و ثابت باشد امکان ایجاد جریان هایی بر حسب شرایط وجود خواهد داشت که در آن ها Y1 عبارت است از ارتفاع سطح آب نسبت به کف کالورت در بالادست و D قطر کالورت یا بعد قائم آن می باشد. اگر عمق جریان در ابتدای کالورت معادل عمق بحرانی بوده و بر حسب آن که عمق پایاب در چه موقعیتی باشد، جریان می تواند به صورت آزاد یا پس از ایجاد یک پرش هیدرولیکی از کالورت خارج شود. در این صورت دبی بر اساس عمق بحرانی ابتدای سازه و ورودی آن تعیین می گردد. همچنین در مواردی اگر چه سطح آب در بالادست از تراز بالای کالورت بالاتر است، اما این اختلاف به گونه ای نیست که که کالورت به صورت پر عمل نماید.
کالورت از نقطه نظر هیدرولیکی
در صورتی که سطح پایاب بالاتر از سقف کالورت در انتها باشد پرش هیدرولیکی اتفاق خواهد افتاد و هر چه ارتفاع سر آب و پایاب بیشتر شده و یا مقاومت کالورت افزایش یابد، پرش به سمت بالادست حرکت خواهد نمود تا زمانی که به ورودی آن برسد. در این حالت ورودی کاملا مستغرق و کالورت به صورت کاملا پر عمل می نماید و دبی بر اساس مقاومت و افت انرژی کالورت و تراز آب در بالادست و پایین دست آن محاسبه می گردد.
کالورت از نقطه نظر هیدرولیکی
بودهین در سال 1976 انواع جریان های موجود در کالورت های با شیب ثابت را به صورت شکل اسلاید قبل نشان داد که مشخصات شش نوع جریان به همراه معادلات دبی برای هر یک، در آن آورده شده است. با توجه به نوع جریان و مشخصات معادله دبی آن خواهیم داشت:
نکات طراحی کالورت ها
تبدیل های ورودی و خروجی: کاملا مشابه سیفون معکوس ، تبدیل ها در قسمت ورودی این سازه موجب اضافه شدن سرعت آب و در قسمت خروجی موجب کاهش این سرعت می شوند، در ضمن افت ارتفاع را کاهش داده و در اثر تغییر تدریجی سرعت از فرسایش کانال جلوگیری می کنند.
مجرا: مجرای کالورت ممکن است به صورت مستقیم یا در مقاطع آن ها زانوهای قائم وجود داشته باشد که در هر یک کار سیفون معکوس، شیب شکن یا تندآب ها را انجام می دهند. مجرای با مقاطع طولی مستقیم طوری طراحی می شود که در هنگام عبور جریان یا فشار هیدرواستاتیکی داخلی وجود نداشته باشد یا بسیار کم باشد؛ یعنی خط شیب هیدرولیکی منطبق یا مجاور قسمت فوقانی لوله باشد. نکته: حداقل شیب مجرا 0.005 است.
نکات طراحی کالورت ها
سرعت: در صورتی که کالورت در یک مسیر خاکی ساخته شود سرعتی که در داخل لوله در نظر می گیریم حداکثر در حدود یک متر بر ثانیه خواهد بود و از آن جا قطر لوله محاسبه می شود. در صورتی که کانال خاکی باشد و در قسمت های ورودی و خروجی نیازی به تبدیل نباشد، حداکثر سرعت جریان همان یک متر بر ثانیه خواهد بود ولی باید به میزان چهار برابر قطر لوله و حداکثر 1.5 متر سنگ چین حفاظتی در کانال ایجاد کرد. همچنین اگر در مسیر کانال خاکی از تبدیل بتنی استفاده کنیم می توان سرعت مجاز در داخل لوله را تا یک و نیم متر بر ثانیه افزایش داد و سپس قطر لوله کالورت را محاسبه کرد. در تمام حالات فوق قطر لوله از رابطه زیر قابل محاسبه است. که در آن Q ظرفیت کانال وVسرعت در داخل لوله است.
محاسبات هیدرولیکی
حداقل ارتفاع پوشش خاک لازم برای لوله در زیر جاده یک متر (3 فوت) است که اگر کالورت از زیر جاده مزرعه عبور کند این میزان به اندازه 60 سانتی متر کاهش می یابد. همچنین اگر جاده دارای جوی های کناری باشد، ارتفاع این جوی ها تا لوله باید 60 سانتی متر باشد.
در مقاطعی که دو کانال با یکدیگر طلاقی کنند نیز می توان از کالورت استفاده کرد، در این صورت فاصله بین کف کانال بالایی تا بالای لوله کالورت حدود 15 سانتی متر است.
عرض جاده و شیب جانبی در تقاطع ها باید مناسب با عرض شیب جانبی جاده موجود باشد. شیب جانبی را نباید بیشتر از 1.5 به 1 در نظر گرفت.
حداکثر اختلاف ارتفاع بین کف لوله و کف کانال در بالادست، یک دوم قطر لوله ای است که از رابطه اسلاید قبل بدست آمده است و در غیر این صورت از سیفون معکوس استفاده می شود.
مقاوم سازی کالورت
به دلیل فرسوده شدن سازه های بتنی و نیاز به تقویت آن ها طی دو دهه اخیر تاکید فراوانی بر روی تعمیر و مقاوم سازی سازه ها بخصوص کالورت ها در سراسر جهان، صورت گرفته است. از طرفی، بهسازی لرزه ای سازه ها به خصوص در مناطق زلزله خیز، اهمیت فراوانی یافته است. در این میان استفاده از مواد FRP به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله مقاومت بالا، سبکی، مقاومت شیمیایی و سهولت اجرا، در مقاوم سازی و احیاء سازه ها اهمیت ویژه ای پیدا کرده اند.FRP نوعی کامپوزیت است. از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی تشکیل شده که این ماده توسط یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است و به دو شکل ورق هایFRP و میلگردهایFRP عرضه می شود. الیاف بتن یا همان FRP با استفاده کردن الیاف هایی که خاصیت تقویت کنندگی داخل بتن را دارند، به بالا رفتن مقاومت فشاری و کششی بتن کمک می کنند. این ترکیب مواد، بسیار یکپارچه است و این امکان را به ما می دهد که از بتن در سطوحی که نیاز به انحنا و مقاومت بالایی دارند استفاده کنیم.
مقاوم سازی کالورت
الیاف بتن قابلیت جذب بسیار بالایی از انرژی را دارد و تحت فشار بارهای ضربه ای به راحتی از هم پاشیده نمی شود. در گذشته نیز هم مشابه این مواد وجود داشته که نمونه بارز آن، کاربرد کاه گل در بنای ساختمان است. در واقع مقاوم سازی کالورت باFRP نوع پیشرفته این تکنولوژی است که سیمان جانشین گل و الیاف طبیعی و مصنوعی، جانشین کاه در ترکیب کاه گلی شده اند که قبلاً در ساخت وساز استفاده می شد. بتن آرمه بیشترین استفاده را در تمام دنیا دارد و زمانی که در مجاورت عواملی مثل سولفات ها، کلریدها و خورنده ها قرار بگیرد. دچار آسیب جدی می شود. هزینه بازسازی و تعمیر و تعویض سازه ها در سراسر دنیا بسیار بالا است. این مسئله باعث مشکلات اقتصادی و اجتماعی بسیار زیادی شده است که مهندسان را بر آن داشته که از الیاف ترکیبی و مصنوعی FRP جایگزین استفاده نمایند.
مراحل اجرای مقاوم سازی کالورت به روش FRP
ایجاد شیار روی بتن
پاک کردن سطح بتن از خرده های ایجاد شده
برای بهتر شدن ظاهر کار شابلون گذاری انجام می دهیم.
داخل شیار ایجاد شده را با چسب ایپوکسی پرمی کنیم.
میلگردFRP را نزدیک سطح بیرونی بتن قرار می دهیم.
بخش های زنگ زده تعمیر و ترک ها پر شوند و مجدداً روی کار را با چسب ایپوکسی می پوشانیم.
کار را تراز نهایی کرده و در آخر شابلون را از محل ترمیم بر می داریم.
مزایای مقاوم سازی کالورت با الیاف بتن (FRP)
این ماده مقاومت بسیار بالایی از خود در برابر تنش های خستگی نشان می دهد.
قابلیت کششی و نفوذناپذیری مغناطیسی دارد.
تحمل باربری زیاد بعد از ترک خوردگی سازه و امکان تقویت به صورت خارجی دارد.
بتن معمولی قادر به تحمل در برابر کشش نیست اما الیاف بتن این خاصیت را دارد.
ترک خوردگی در مقاوم سازی کالورت باFRP از حالت متمرکز خارج شده و به صورت ترک های متعدد ظاهر می شود.
در برابر ضربه بسیار مقاوم است و مقاومت کششی، خمشی و برشی خیلی زیادی دارد.
مقاومت برشی در این بتن ها به حالتی است که شما می توانید آرماتورهای برشی را حذف نمایید.
سرعت بالای اجرای آن در عملیات و سبک بودن وزن الیاف
با سپاس از عنایت عزیزان