מברץ
מִבְרָץ או מברץ גלישה (באנגלית Spillway או Overflow Channel) הוא מבנה שנועד לאפשר שחרור מבוקר של מים מסכר לאזור מורד הזרם, בדרך כלל למורד הנהר שמעבר לסכר. מברצים מטים מי שיטפונות כך שהמים לא ישפכו מעבר לשפה העליונה של הסכר ויגרמו לו לנזק או אף להתמוטטות. למעט בתקופות של שיטפונות, מים אינם זורמים בדרך כלל דרך מברצי הגלישה. לעומתם פתחי הכניסה (intake) הם מבנים שנועדו לשחרר מים על בסיס קבוע לשם אספקת מים סדירה לערוץ במורד הזרם, להפקת אנרגיה הידרואלקטרית וכדומה. בתכנון מברצים כוללים לעיתים תריסי שיטפון (Floodgates) או fuse plugs[1] לשם ויסות זרימת המים במברצים וגובה פני המים במאגר שמאחורי הסכר. שימושים נוספים במונח "מברץ גלישה" כוללים: מעקפים של סכרים, נקודות המוצא של תעלות בשימוש בזמן עליית פני המים, ותעלות שנחפרו דרך סכרים טבעיים כדוגמת מורנות.
סוגים
מברץ גלישה ממוקם בחלקו העליון של מאגר המים. סכרים עשויים לכלול גם צינורות פליטה בתחתית הסכר המופעלים על ידי שסתומים או תריסים שגם אותם ניתן להפעיל על מנת לשחרר מי שיטפונות, ובחלק מהסכרים אין בכלל מברצי גלישה והם מסתמכים על צינורות הפליטה בתחתית הסכר בלבד.
קיימים שני סוגים של מברצי גלישה: נשלטים (controlled) ואוטומטיים (uncontrolled).
למברץ גלישה נשלט יש מבנים מכניים או "תריסים" שנועדו לווסת את קצב הזרימה. סוג זה מאפשר למלא את המאגר כמעט עד קצה גובה הסכר במשך כל השנה, ואת מי השיטפונות ניתן לשחרר בהדרגה על ידי פתיחת תריס אחד או יותר.
בניגוד למברץ נשלט, למברץ גלישה אוטומטי אין תריסים. כשהמים עולים מעבר לשפת המברץ הם נשפכים מהמאגר. קצב שחרור המים תלוי רק בעומק המים במאגר. כל נפח המים במאגר מעל לשפת המברץ משמש לאחסון זמני של מי השיטפונות, ואינו יכול לשמש כמקור לאספקת מים משום שבמצב רגיל הוא ריק.
יש גם מברצי גלישה המשלבים בין שני הסוגים. ויסות מי המאגר מתבצע באופן רגיל באמצעות תריסים מכניים. אם ספיקת המים למאגר עולה על הקיבולת של התריס יופעל מברץ נוסף המכונה "מברץ משני" או "מברץ חירום" החסום על ידי סוללה המכונה fuse plug. סוללה זו מתוכננת כך שעודף המים יזרום מעליה ואף יסחוף אותה כליל במקרה של שיטפון גדול, גדול מיכולת פליטת המים של התריסים של המברץ המכני. אף שייתכן שתיקון הערוץ ושיפוץ הסוללה לאחר אירוע כזה יכול לארוך חודשים, סך כל הנזק ועלות התיקון יהיו נמוכים מהנזק שעלול היה להיגרם אם מי המאגר היו נשפכים מעבר לסכר. סוללה מסוג זה נוהגים לבנות במצבים שבהם בניית מברץ גלישה שאמור להתמודד עם השיטפון המקסימלי האפשרי יקרה מאוד.
מברץ מגלש
מברץ מגלש (Chute spillway) הוא הסוג הבסיסי והנפוץ ביותר. מים עודפים זורמים מנקודה מאחורי הסכר דרך מורד חלק אל הנהר שלמטה. מברצים מסוג זה מתוכנים כך שצורתם מורכבת משתי קשתות דמוי האות S שטוחה (ogee). לעיתים קרובות יוצקים בטון על הדפנות ועל התחתית על מנת למנוע נזקים למברץ ולערוץ הנחל מעוצמת הזרימה. אפשר שהכניסה למברץ תהיה נשלטת באמצעות תריס, ובחלק מהסכרים מופעלים מספר מברצים דקים אם יש בעיה למקם אותם או יש בעיית מימון. בנוסף, בשל המבנה הם לא נועדו לספוג אנרגיה דוגמת המברצים המדורגים (stepped spillways, ראו בהמשך). לעיתים מוסיפים גושי בטון המתפקדים כווסתי זרימה קבועים, אבל בדרך כלל יש בקצותיהם "שפת קפיצה" (flip lip) ו/או אגן משכך (dissipator basin) היוצרים זנק הידראולי, המגן על חזית הסכר מסחיפה.[2]
מברץ מדורג
במברצים ובתעלות מדורגים נעשה שימוש למעלה מ-3,000 שנים. חומרים חדשים (דוגמת בטון מזוין) וטכניקות תכנון חדשות הגבירו את העניין במברצים ובתעלות מדורגים בתקופה המודרנית. המדרגות מייצרות הפסד אנרגיה ניכר לאורך המגלש. ומצמצמות את גודל אגן שיכוך האנרגיה הנדרש.
עדיין מתנהל מחקר פעיל בנושא, ונוצרים פיתוחים חדשים של מערכות הגנה בפני גלישה מירכתי הסכר, מברצים מתלכדים ותכנון סכרים קטנים.
מברצים בצורת פעמון הפוך
כמה מברצים מתוכננים בצורת פעמון הפוך כך שהמים יכולים להיכנס סביב כל היקף המתקן. מתקני מברץ אוטומטיים אלו קרויים באנגלית morning glory בגלל דמיונם לפרח הלפופית.[3] באזורים שבהם עלולים פני המאגר לקפוא, מצוידים מברצים בצורת פעמון הפוך באמצעים לשבירת הקרח על מנת למנוע מהמברץ להיות לכוד בקרח. דוגמה קלאסית למברץ דמוי פעמון הפוך מצויה בסכר צ'פי (Chaffey Dam), בסמוך לטמוורת (Tamworth) בניו סאות' ויילס באוסטרליה.
בחלק מהמקרים נשלטים מברצים בצורת פעמון הפוך באמצעות תריסים. המברץ בסכר הנגרי הורס (סכר "הסוס הרעב" בתמונה משמאל), מבנה מברץ פעמון הגובה ביותר בעולם,[4] נשלט על ידי תריס טבעתי. המברץ הגדול ביותר הוא המברץ באגם בריסה (Lake Berryessa) בקוטר 22 מטרים בפני האגם.
מברץ סיפון
סיפון משתמש בהפרש בגובה שבין פתח הכניסה לפתח היציאה על מנת ליצור את הפרש הלחצים הנדרש לסילוק עודפי המים. עם זאת, על מנת להתחיל לפעול יש צורך להכין את הסיפון באמצעות סילוק האוויר שבנקודת הכיפוף ומרבית מברצי הסיפון מתוכננים יחד עם מערכת המשתמשת במים לסלק את האוויר. אחת השיטות היא סיפון הספירלה שדוחפת את המים באמצעות סיבוב סלילי לולייני לתוך הצינור ואלו דוחפים את האוויר מתוך הצינור זרימת המים במברץ מתחילה אוטומטית ברגע שפני המים עולים מעל גובה פתח הכניסה.[5]
סוגים נוספים
סוגים נוספים של מברצים כוללים: ogee crest המברץ פועל מעבר לקודקוד הסכר, "ערוץ צדדי" (side channel), שעוקף את הטופוגרפיה של הסכר ו"מבוך" (labyrinth), מבוך בצורת זיגזג שנועדה להגדיל את אורך המפתן עבור מברצים דקים ולהגדיל את הפליטה. קיים גם drop inlet הדומה לפתחי הכניסה של תחנות הכוח ההידרואלקטרית, אך מטרתו להוביל מים מאחורי הסכר ישירות דרך מנהרות אל מורד הנהר.[6]
שיקולים בתכנון
בעת תכנון מברצים יש לקחת בחשבון את השיטפון הגדול ביותר האפשרי, בכל מיזם של בניית סכר חייבים להיות מתקנים המסוגלים לעבור בביטחון את מבחן השיטפון (SDF ראשי תיבות Spillway Design Flood). המברץ צריך לעמוד בשיטפון הגדול ביותר המתרחש בממוצע פעם במאה שנים. לחלופין התכנון צריך לקחת בחשבון סיכוי של אחוז אחד שהשיטפון עלול להיות גדול יותר מהקיבולת של המברץ בכל שנה נתונה.
בזבוז אנרגיה
כאשר המים עוברים דרך המברץ ואחר-כך במורד המגלש הופכת האנרגיה הפוטנציאלית לאנרגיה קינטית הולכת וגדלה. אם לא מטפלים בבזבוז האנרגיה[7] של המים הם עלולים לגרום לשחיקה ולסחיפה של בסיס הסכר. המברץ עלול להינזק והיציבות של הסכר עלולה להיפגע.[8] על מנת להעמיד את נושא האנרגיה בפרספקטיבה אפשר לקחת דוגמה מסכר טרבלה בפקיסטן. בשיא הקיבולת יכולים המברצים של הסכר לייצר 40,000MW, פי עשרים מההספק של תחנת הכוח של הסכר.[9]
אפשר לבזבז את האנרגיה באמצעות טיפול בחלק אחד או יותר של המברץ המתוכנן.
- מדרגות
לאורך המברץ ניתן להוסיף וסתים ו/או מדרגות.
- דלי היפוך (Flip bucket)
יצירת "דלי היפוך", אגן המייצר זנק הידראולי ומסיט את המים כלפי מעלה.
- מקפצת סקי (Ski jump)
מקפצת סקי יכולה לכוון את המים במאוזן ובסופו של דבר לתוך בריכת טבילה או שניתן לכוון שתי מקפצות סקי כך שזרמי המים הנפלטים מהן יתנגשו האחד בשני.
- אגן שיכוך (Stilling basin)
"אגן שיכוך" בקצה המברץ נועד לבזבז עוד אנרגיה ולמנוע סחיפה. אגני השיכוך מלאים בדרך כלל במים רדודים ולעיתים מדופנים בבטון. ניתן לשלב בתכנונם מרכיבים בולמי מהירות נוספים כדוגמת גושי מגלש (chute blocks), גושי ויסות (baffle blocks), קירות פינתיים או מפתן בקצה (end sill) (להמחשה ראו באיור משמאל).[10]
אמצעי בטיחות
תריסים של מברצים יכולים להיפתח לפתע ללא כל התרעה, באמצעות שליטה מרחוק, ועקב כך מסיגי גבול שנכנסים למברץ עלולים לטבוע. המברצים בדרך כלל מגודרים ומצוידים בשערים נעולים על מנת למנוע הסגת גבול מקרית. על מנת להזהיר אנשים העלולים להימצא בחלק התחתון של המברץ משחרור פתאומי של מים מתקינים לעיתים אורות אזהרה, צופרים ומתקנים נוספים. נוהלי הפעלה של מברץ כוללים לעיתים הנחיות לפתוח סדק קטן בתריס כדי לשחרר כמות קטנה של מים להזהיר אנשים במורד הזרם.
סגירה פתאומית של תריס המברץ עלולה לכלוא דגים, וגם מכך יש להימנע.
קישורים חיצוניים
הערות שוליים
- ^ מילולית "פקקי נתיך" סכרים המוצבים במברץ ונועדו להתמוטט בזמן שיטפונות חמורים
- ^ Chute spillways, The Engineering of Large Dams
- ^ Lake Berryessa, Bureau of Reclamation, Mid-Pacific Region
- ^ Hungry Horse Dam
- ^ Design of Volute Siphon
- ^ Hydraulic Design, Types of Spillways
- ^ בִּזְבּוּז אֱנֶרְגְּיָה הוא המונח המוצע על ידי האקדמיה העברית ל-dissipation of energy
- ^ Irrigation and Water Power Engineering
- ^ Hydraulic structures עמ' 244
- ^ Energy dissipators and hydraulic jump