طراحی خاک و هیدرولیک
طراحی خاک و هیدرولیک: هدایت هیدرولیکی خاک از جمله پارامترهای مهم در تحقیقات کشاورزی می‌باشد. سیستم‌های آبیاری و زهکشی براساس فاکتور نفوذپذیری (K) طراحی می‌شوند. هدایت هیدرولیکی خاک را می‌توان بر اساس نوع و عمق خاک به روشهای: هوگ‌اوت، پلاسیدو، گالف، K-Sat و شبیه‌ساز باران محاسبه نمود.
هیدرولیک: به عبارت کلی هیدرولیک یعنی « انجام کار توسط مایع تحت فشار یا حرکت » کلمه هیدرو از زبان یونانی گرفته شده است و هیدرو در زبان یونانی به معنی حرکات مایعات می باشد.
هیدرولیک چیست؟ هیدرولیک به علمی گفته می شود که در آن از نیروی مایعات تحت فشار استفاده می کنند تا کاری را انجام دهند . به عبارت کلی هیدرولیک یعنی « انجام کار توسط مایع تحت فشار یا حرکت » کلمه هیدرو از زبان یونانی گرفته شده است و هیدرو در زبان یونانی به معنی حرکات مایعات می باشد. انسانها از زمانهای بسیار قدیم با هیدرولیک آشنا بوده اند ولی چون دامنه علم و صنعت گسترده نبوده به صورت وافر از هیدرولیک استفاده نمی شد. انتقال الوارها یا تنه های درخت روی آب از مکانی به مکان دیگر کاربردی از نیروی هیدرولیک در قدیم بوده با گذشت زمان استفاده ازنیروی آب برای چرخاندن توربینهای آبی جهت نیروی محرکه آسیاب ابداع دیگری از کاربرد هیدرولیک بوده است . چرخاندن توربین آبی توسط نیروی آب هیدرولیک سیستم باز است یعنی آبی که باعث چرخاندن توربین می گردد جاری بوده و مجدداً جهت چرخش توربین استفاده نمی گردد لیکن در هیدرولیک سیستم بسته از مایعی که تحت فشار است و عمدتاً روغن هیدرولیک می باشد مجدداً استفاده می گردد یعنی روغن فقط یکبار استفاده نمی شود و در یک سیستم بسته که بعداً بیشترتوضیح می دهیم حرکت کرده و بارها کار انجام می دهد مثال ساده سیستم بسته ، جک های روغنی هیدرولیک است که دربالا بردن اتومبیل جهت تعویض چرخ یا تایر استفاده می شود روغن هیدرولیک درون مداربسته قراردارد .
مثال دیگرهیدرولیک سیستم بسته سیستم ترمزاتومبیلها است که ازروغن هیدرولیک یا بعبارتی عامیانه روغن ترمزها استفاده می شود .
امروزه عمده کارهای هیدرولیک توسط هیدرولیک سیستم بسته انجام می شود. کارهایی نظیر حرکات بیل مکانیکی که بیل یا باکت آن توسط نیروی هیدورلیک صورت می پذیرد. حرکات بیل لودر، حرکت جرثقیل های غول پیکر، باز و بسته شدن دربها و ارابه های فرود هواپیما های مدرن و سنگین وزن ، حرکت پلهای متحرک فلزی و حرکت وزنه پرسهای سنگین وزن همگی توسط نیروی هیدرولیک مدار بسته صورت می پذیرد.
هیدرولیک به روش های کاربردی استفاده از سیالات تحت فشار می پردازد.به زبان دیگر هیدرولیک به علمی گفته می شود که در آن از نیروی مایعات تحت فشار استفاده می کنند تا کاری را انجام دهند یعنی انجام کار توسط مایع تحت فشار یا حرکت. مایعات تقریباً تراکم ناپذیر هستند. این ویژگی سبب شده است که از مایعات به عنوان وسیله مناسبی برای تبدیل و انتقال کار استفاده شود.
هدایت هدرولیکی خاک
هدايت هيدروليكی يكی از خصوصيات هيدروديناميك خاكهاست كه نقش تعيين كننده ای در حركت و انتقال آب و املاح در خاك دارد. در پروژه های زهكشی، مقدار هدايت هيدروليکی اشباع خاک ضروری است. اين مقدار تقريباً ثابت است. روشهای مختلفی برای اندازه گيری هدايت هيدروليكی خاكها وجود دارد كه در مجموع می توان آنها را به دو دسته بالا و زير سطح ايستابی تقسيم کرد. بررسی های اوليه نشان می دهد كه بين نتايج حاصل از اين دو روش تفاوت قابل توجهی وجود دارد. به همين دليل، اين بررسی برای دستيابی به اهداف زير برنامه ريزی شده است: ۱- مقايسه نتايج هدايت هيدروليکی موجود برای روش های زير و بالای سطح ايستابی در پروژه های مطالعاتی و تحقيقاتی در داخل و خارج كشور،۲- دلايل متفاوت بودن نتايج روش های ياد شده و۳- راه حل های عملي برای نزديك کردن نتايج اندازه گيری شده از روش های تعريف شده. بررسي ها نشان داد كه نتايج روشهای بالای سطحی ايستابی عموماً از روشهای زير سطح ايستابی كمتر است به نحوی كه می توان گفت نتايج روش های زير سطح ايستابی ۰.۰۵تا ۳۲ برابر نتايج روشهای بالای سطح ايستابی بوده است. علت اين تفاوت مربوط به عوامل مختلفی است كه از جمله می توان به متفاوت بودن كيفيت آب مصرفی با آب زيرزمينی، محبوس شدن حبابهای هوا در خلل و فرج درون خاک در شرايط بالای سطح ايستابی، و متفاوت بودن الگوی جريان در روشهای فوق اشاره کرد. كمتر بودن نتايج روشهای بالای سطح ايستابی در مقايسه با روشهای زير سطح ايستابی، شايد اين موضوع را تأييد كند كه دستيابی به هدايت هيدروليکی اشباع در روش های بالای سطح ايستابی مقدور نيست، لذا ضروري است كه نتايج اين نوع روش ها تعديل و به عبارتی با روش های زيرسطح ايستابی متوازن شود. در اين خصوص روش ها ی مناسب به ترتيب اولويت: روش مدل های طبيعی، روش مدل های صحرايی، روش زمين آماری، روش مكنيل، و روش همبستگی بين بافت و ساختمان توصيه شده است.
طراحی خاک و هدایت هیدرولیکی
همانطور که پیشتر بیان شد،هدایت هیدروليکی عبارت است از مقدار آبی که تحت شيب هيدروليکی يک از واحد سطح مقطع خاک در واحد زمان عبور می‌کند.
دارسی در آزمايشهايی که در مورد حرکت آب در خاک انجام داد چنين نتيجه گرفت که مقدار آبی که در واحد زمان از يک نمونه خاک عبور می‌کند با اختلاف پتانسيل موجود بين دو مقطع ورودی و خروجی ستون خاک (پتانسيل‌های ثقل و فشاری) نسبت مستقيم و با طول ستون خاک يا به عبارت بهتر با طول مسير جريان در خاک نسبت معکوس دارد. رابطه دارسی به شکل زير مي‌باشد:
▪ حجم آب عبوری از ستون خاک در واحد زمان (Q)
▪ هدايت هيدروليکی (k)
▪ طولل مسير آب در داخل خاک (L)
روش کار
دستورکار آزمايش اندازه گیری هدايت هيدروليکی اشباع به روش بار ثابت:
۱- ابتدا لايه نازکی از شن در استوانه بريزيد و ارتفاع اين لايه را اندازه‌گيری کنيد. لايه شن از خروج ذرات خاک از استوانه جلوگيری می‌کند.
۲- بر روی لايه شن خاک ريخته و آن را فشرده کنيد. ارتفاع ستون خاک و قطر استوانه را اندازه گرفته و يادداشت کنيد.
۳- در داخل استوانه به آرامی آب ريخته و مدتی صبر کنيد تا خاک اشباع گردد و آب از پايين استوانه جريان پيدا کند.
۴- استوانه را در زير شير آب قرار دهيد به طوری که آب اضافی از لوله خروجی بالای استوانه بيرون ريخته و ارتفاع ستون آب بر روي خاک ثابت بماند. ارتفاع آب روی خاک را اندازه‌گيری نمائيد.
۵- با استفاده از يک بشر و کرنومتر در يک بازه زمانی مشخص, حجم آب خروجی از انتهای استوانه خاک را اندازه‌گيری کنيد.
۶- این مراحل را ۵ بار تکرار کنید.
۷- با استفاده از قانون دارسی مقدار هدايت هيدروليکی اشباع را بدست آوريد.
▪ دستور کار آزمايش اندازه‌گيري هدايت هيدروليکی اشباع به روش بار افتان :
در اين آزمايش از دستگاهي استفاده مي‌شود که بر روی آن سه لوله شيشه‌ای با قطرهای متفاوت قرار دارد. وجود اين سه لوله شيشه‌ای با قطرهای مختلف تعيين هدايت هيدروليکی هر دو نوع خاک ريزدانه و درشت دانه را تسهيل می‌نمايد (لوله باريکتر مناسب خاکهای با هدايت هيدروليکی کم و لوله بزرگتر مناسب خاکهاي با هدايت هيدروليکی زياد است). اين سه لوله شيشه‌ای بر روی يک تخته مدرج جاسازی شده و در پايين هر کدام از آنها يک شير قرارداده شده است. اين شيرها از يک طرف توسط لوله لاستيکی به يک منبع شيشه‌ای تأمين آب و از طرف ديگر به لوله‌ای لاستيکی که آب را به قالب نمونه خاک وارد می‌سازد وصل شده‌اند.
۱- قالب استوانه‌ای را از خاک مورد نظر پر نماييد.
۲- يک صافی لاستيکی را روی صفحه پايه مشبک قرارداده و قالب نمونه را بر روی آن قرار دهيد. اين صفحه پايه دارای ۲ ميله فلزی برای محکم نگه داشتن قالب بين صفحه پايه و درپوش بالايی می‌باشد. آنگاه با محکم نمودن پيچ‌های مربوط به صفحه پايه قالب نمونه را بين درپوش و صفحه پايه کاملا” محکم نماييد.
۳- نمونه را در سطل پر از آب قراردهيد تا۲ کاملا” اشباع شود و همه حبابهای هوا از آن خارج شوند. مدت زمان لازم برای اشباع شدن نمونه برحسب نوع خاک متفاوت می‌باشد.
۴- بعد از اشباع شدن نمونه، لوله رابط لاستيکي (که در بالادست به شيرهای سوزنی بورتها متصل است) به ورودی استوانه متصل و محکم نماييد. سپس شير مخصوص هواگيری را باز نماييد۶ (شير بالای نمونه قرار دارد) تا هوای محبوس در لوله‌ها و در بالای نمونه خارج شود. حال شير منبع آب را باز نماييد تا جريان آب لازم تأمين شود.
۵- شير را مدتی بازنگه داريد تا جريان پيوسته و پايداری ايجاد گردد. سپس شير ورودی آب به نمونه را بسته و شيرهای۱ بورتها را باز نماييد تا بورتها از آب پر شود. آنگاه شير منبع و شيرهای بورتها را ببنديد.
☆ تذکر☆: براي انجام آزمايش در هر نوبت می‌بايست تنها يک بورت را انتخاب نماييد. برحسب ميزان هدايت هيدروليکی نمونه مورد آزمايش ممکن است يک يا دو يا هرسه بورت برای آزمايش مناسب تشخيص داده شود. چنانچه هدايت هيدروليکی نسبتا” بالا باشد بورت با قطر بزرگ مناسب است برعکس اگر هدايت هيدروليکی کم باشد بورت با قطر کوچکتر مناسب خواهد بود.
براي انجام آزمايش همزمان با بازکردن شير بورت مورد نظر زمان‌سنج را به کار اندازيد و حين پايين آمدن آب در بورت ارتفاع آن را در فواصل زمانی مساوی قرائت و يادداشت نماييد. برمبنای اين اندازه‌گيری‌ها پيوستگی جريان را کنترل نماييد در اين صورت که برای ۳ ارتفاع اندازه‌گيری شده به شرط اينکه فاصله زمانی هرجفت اندازه‌گيری مساوی باشد می‌بايست رابطه زير برقرار باشد.
☆ تذکر☆ : ارتفاع قرائت شده بر روی تخته مدرج ارتفاع آب در بورت تا محل شير سوزنی نشان می‌دهد لذا برای تعيين مقادير h لازم است فاصله قائم مجرای سرريز که نمونه در آن قرار دارد تا شير را به ارتفاعهای قرائت شده اضافه نماييد.
7- عدم برقراری رابطه فوق نشان دهنده وجود حبابهای هوا در داخل نمونه يا لوله‌های رابطه می‌باشد. در اين صورت با بازکردن شير منبع و جريان مستقيم آب، حبابهای هوا را از نمونه و يا لوله‌ها خارج و مرحله ۶ را مجددا” تکرار نماييد. برای اطمينان از دقت نتايج آزمايش را برای هر بورت حداقل ۳ بار تکرار نماييد.
۸- برای بورتی که مناسب‌تر تشخيص می‌دهيد آزمايش را يک بار با حداقل ۶ قرائت ارتفاع و ثبت زمان انجام دهيد.
بیان آخر
هیدرولیک نسبت به روشهای انتقال انرژی مکانیکی و الکتریکی، قابلیت افزایش نیرو در حین انتقال و تغییر سریع جهت حرکت است؛ از آنجا که در هیدرولیک انتقال انرژی با کمک یک سیال هیدرولیک انجام می‌شود و سیالات به طور کلی قابلیت شکل‌پذیری دارند و می‌توان آنها را از مسیرهای دلخواه عبور داد. به همین علت روش بسیار خوبی برای طراحی خاک و هدایت آب به درون خاک می باشد.
