اعداد التدريسية: م.م فرح حميد عبد الخضر الملخص تتحول طاقة المياه المتدفقة من قمة السد إلى قاعه إلى طاقة حركية عالية قد تسبب النحر وتهدد سلامة المنشأ ما لم تُبدَّد بصورة مناسبة. وتُعدّ الهدارات المتدرجة (Stepped Spillways) من الحلول الفعالة لتبديد جزء كبير من هذه الطاقة على امتداد المجرى نفسه، بما يقلل الحاجة إلى أحواض تهدئة ضخمة عند النهاية. يستعرض هذا المقال مبدأ عمل الهدارات المتدرجة، وأنماط الجريان فيها، وآلية تبديد الطاقة، والعوامل المؤثرة في الأداء، ومخاطر التكهف وهوائية الجريان، ويقدم توصيات تصميمية عملية. الكلمات المفتاحية: الهدار المتدرج، تبديد الطاقة، السدود، الخرسانة المرصوصة بالدحل، أنماط الجريان، التكهف، حوض التهدئة. 1. المقدمة تحتاج السدود إلى منشآت تصريف تمرر الفيضانات بأمان دون الإضرار بالسد أو بالمجرى السفلي. وعند انحدار الماء على الهدار الأملس تكتسب الجريانات سرعات كبيرة تتطلب تبديدًا مكثفًا للطاقة عند القدم، عادةً بحوض تهدئة قفزة هيدروليكية. أما الهدارات المتدرجة فتحوّل سطح المجرى إلى سلسلة من الدرجات تعمل على استنزاف الطاقة تدريجيًا أثناء الجريان، فتصل المياه إلى النهاية بسرعة وطاقة أقل (Chanson, 2002). وقد زاد الاهتمام بهذا النوع في العقود الأخيرة مع انتشار تقنية الخرسانة المرصوصة بالدحل (RCC) التي تسهّل بناء الدرجات اقتصاديًا ضمن جسم السد، وكذلك في أعمال إعادة تأهيل السدود الترابية القديمة لرفع قدرتها على تمرير الفيضانات (Chanson, 2002). 2. مبدأ عمل الهدار المتدرج يتألف المجرى من درجات أفقية أو مائلة قليلًا، ارتفاع كل منها (h) وطولها (l)، تشكل معًا ميلًا عامًا يماثل ميل وجه السد. وعند جريان الماء فوقها يتولد عدم انتظام في السطح يزيد من الاضطراب والخشونة الفعلية، ويؤدي إلى تبديد الطاقة عبر عدة آليات: الاضطراب والدوامات المتولدة في فراغ كل درجة. تبادل الكتلة والزخم بين الجريان الرئيس والدوامات المحبوسة في الفراغات. تصادم الجريان بسطح الدرجة في الجريان القافز. إدخال الهواء الذي يغيّر خواص الخليط المائي الهوائي. ونتيجة لذلك تفقد المياه نسبة كبيرة من طاقتها على طول المجرى، تزيد كلما ازدادت الخشونة النسبية وطول المجرى وانخفضت التصاريف. 3. أنماط الجريان يميز الباحثون ثلاثة أنماط رئيسة بحسب التصريف وهندسة الدرجات (Chanson, 2002; Ohtsu & Yasuda, 1997): الجريان القافز (Nappe Flow): يحدث عند التصاريف الصغيرة، فيسقط الماء من درجة إلى أخرى كسلسلة من الشلالات الصغيرة، وقد تتكون قفزة هيدروليكية على بعض الدرجات. ويتميز بتبديد عالٍ للطاقة. الجريان الانتقالي (Transition Flow): نمط وسيط يتصف بعدم الاستقرار وبتذبذب أنماط التدفق. الجريان المنزلق (Skimming Flow): يحدث عند التصاريف الكبيرة، فيجري الماء كتيار متماسك فوق الحواف الخارجية للدرجات، بينما تبقى دوامات دوارة في الفراغات تحتها. وهو النمط الأكثر أهمية في الهدارات الكبيرة لأنه يمثل ظروف التصميم للفيضانات القصوى. وتُحدد حدود الانتقال بين هذه الأنماط بدلالة نسبة العمق الحرج إلى ارتفاع الدرجة (y_c/h) وميل المجرى، وتتوفر لها علاقات تجريبية متعددة في الأدبيات. 4. تبديد الطاقة تُقاس كفاءة التبديد بنسبة الفقد في الطاقة بين أعلى المجرى ونهايته مقارنة بالطاقة المتاحة. وتتأثر هذه النسبة بالعوامل الآتية: التصريف النوعي: تقل نسبة التبديد النسبية بزيادة التصريف لأن الجريان يصبح أقل تأثرًا بالدرجات. ارتفاع السد وطول المجرى: يزيد التبديد مع ازدياد طول المجرى وعدد الدرجات. هندسة الدرجات: تؤثر نسبة ارتفاع الدرجة إلى طولها وميل الوجه في حجم الدوامات وشدة الاضطراب. الخشونة والإضافات: كإضافة عتبات نهائية أو موانع تعمل على زيادة الاضطراب وتحسين الأداء. وتشير الدراسات المخبرية إلى أن الهدارات المتدرجة قد تبدد نسبة أكبر بكثير من الطاقة مقارنة بالهدارات الملساء بالارتفاع والتصريف نفسيهما، وهو ما يسمح بتصغير أحواض التهدئة أسفل السد (Chanson, 2002; Boes & Hager, 2003). غير أن نسب التبديد المحددة تعتمد على الظروف التجريبية ولا ينبغي تعميمها دون الرجوع إلى الدراسة الخاصة بكل مشروع. 5. هوائية الجريان ومخاطر التكهف في الجريان المنزلق يبدأ إدخال الهواء الذاتي عند نقطة تسمى «نقطة البداية» (Inception Point) حيث تلتقي الطبقة الحدّية المضطربة بسطح الماء. ويؤدي دخول الهواء إلى زيادة عمق الجريان (انتفاخ الجريان) وإلى خفض احتمال التكهف، وهو ما يجب أخذه في الحسبان عند تحديد ارتفاع الجدران الجانبية (Boes & Hager, 2003). ويظل التكهف (Cavitation) خطرًا محتملًا على الهدارات ذات التصاريف الكبيرة والارتفاعات الشاهقة، لأن الضغط السالب قرب حواف الدرجات قد يؤدي إلى فقاعات بخارية تنهار وتتلف الخرسانة. ولذلك يُدرس خطر التكهف عند السرعات العالية، وتُعتمد حلول كتحسين مواصفات الخرسانة والتهوية الاصطناعية أو تعديل هندسة الدرجات (Chanson, 2002). 6. اعتبارات التصميم تحديد التصريف التصميمي بحسب فئة السد وفترة العودة المعتمدة في المواصفات. اختيار ارتفاع الدرجة بما يتناسب مع نمط الجريان المطلوب وطريقة التنفيذ، ففي سدود الـ RCC يرتبط الارتفاع غالبًا بسماكة طبقات الصب. تصميم الجدران الجانبية بارتفاع يستوعب انتفاخ الجريان نتيجة إدخال الهواء. تحديد حوض التهدئة النهائي بحسب الطاقة المتبقية عند قدم المجرى، وليس إلغاؤه تلقائيًا. التحقق من الضغوط على الدرجات ومن الاهتزازات والإجهادات الناتجة عن الاضطراب. الاختبار على نماذج فيزيائية في المشاريع الكبيرة لتأكيد أنماط الجريان والأداء الفعلي. 7. الحدود والتحديات على الرغم من فوائدها، لا تخلو الهدارات المتدرجة من قيود، منها: تتراجع نسبة التبديد النسبية عند التصاريف الكبيرة جدًا. تتطلب دراسة دقيقة للتكهف عند السدود العالية. لا تزال العلاقات التجريبية محدودة بنطاق الظروف التي استُنتجت منها، وتختلف في تقدير بعض المعاملات كمعامل الاحتكاك. قد يتعذر تطبيقها بسهولة في بعض أنواع السدود أو الأساسات الضعيفة. 8. الخلاصة والتوصيات تقدم الهدارات المتدرجة حلًا فعالًا لتبديد الطاقة على امتداد المجرى، وتقلل متطلبات أحواض التهدئة، وتتلاءم مع تقنيات الإنشاء الحديثة. وتتلخص أهم التوصيات في: اعتماد الهدار المتدرج حين تسمح ظروف السد والتصريف، مع تقييم الجدوى الهيدروليكية والاقتصادية. تحديد نمط الجريان المتوقع عند التصاريف التصميمية قبل اعتماد هندسة الدرجات. دراسة التكهف وهوائية الجريان وتوفير الهامش الكافي في ارتفاع الجدران. إجراء اختبارات على نماذج فيزيائية في المشاريع الكبيرة، وعدم الاعتماد على العلاقات التجريبية وحدها. الاحتفاظ بحوض تهدئة مناسب لاستيعاب الطاقة المتبقية. المراجع Boes, R. M., & Hager, W. H. (2003). Two-phase flow characteristics of stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 129(9), 661–670. Chanson, H. (2002). The Hydraulics of Stepped Chutes and Spillways. Balkema (A.A. Balkema Publishers), Lisse, The Netherlands. Ohtsu, I., & Yasuda, Y. (1997). Characteristics of flow conditions on stepped channels. Proceedings of the 27th IAHR Congress, San Francisco, Theme B, 583–588.