الملخص:

تستخدم العبارات المائية لما لها من دور أساسي في إدارة المياه وتصريفها بشكل آمن تحت الطرق والمنشآت، حيث وجودها يمنع الكثير من الأضرار التي قد تسببها المياه المتدفقة، سواء كانت من الأمطار أو السيول أو المجاري الطبيعية، حيث غالبا ما تتقاطع الطرق والسكك الحديدية مع مجاري مائية او اقنية مائية، لذا فان المياه المتدفقة من هذه المحاري يجب ان تمر في منشأة خاصة (العبارة) لإمرارها الى الطرف الاخر من الطريق دون ان تسبب ضرر للعبارة. يتناول هذا المقال أشكال المقاطع العرضية للعبارة، وأقسامها، والمواد المستخدمة في بنائها إضافة إلى أسس تصميم العبارة ( تحديد سعة العبارة واختيار شكل المقطع العرضي لها وكذلك الموقع المناسب لإنشائها).

الكلمات المفتاحية:

العبارة المائية، المقطع العرضي للعبارة المائية، أسس تصميم العبارة المائية.

1-تعريف العبارة:

العبارة هي ممر مائي مغلق يقوم بنقل تدفق مياه المجاري المائية ( سيول، نهر، قناة……الخ) عبر جسم الطريق أو عبر أي حاجز أخر يعيق مجرى سيلها(طرق مواصلات، سكك حديدية، قناة ري…..الخ)، وكلها تتميز بالعمق الصغير والعرض الكبير، يحدث تضيق في مقطع الجريان، حيث يتم الانتقال من مقطع المجرى المكشوف إلى مقطع العبارة وبالعكس بواسطة جدران استنادية يمينية وأخرى يسارية كما هو موضح بالشكل (1).

تتعلق عوامل اختيار العبارة بالمقطع الطولي للطريق وبخصائص القناة وبتقدير حجم الضرر من تدفق الفيضان وبكلفة تنفيذ وصيانة العبارة وبعمر الخدمة المفترض .

الشكل (1): مسقط عام للعبارة

2-أشكال العبارات :

يعتمد اختيار الشكل الهندسي للمقطع العرضي للعبارة على ظروف الموقع واعتبارات بيئية أخرى مثل طبيعة الحمولات المؤثرة  ومادة انشاء العبارة، حيث يمكن أن يأخذ المقطع العرضي للعبارة أحد الأشكال التالية:

1. أنبوبية من الفولاذ أو البيتون المسلح الصغيرة
2. صندوقية من البيتون المسلح
3. مقاطع قوسية كبيرة تستخدم أحياناً في موقع الجسور.

وتكون العبارات إما بفتحة واحدة أو عدة فتحات حسب مقتضيات التصميم.

ولكن العبارات الصندوقية تسمح بشكل أسهل من باقي الاشكال بتخفيض حالات منسوب سطح الماء المسموح أمام العبارة حيث ان الارتفاع يمكن تخفيضه وزيادة  امتداد العبارة من اجل ملائمة متطلبات الموقع كما تستخدم العبارات الصندوقية في حال وجود مجاري ضيقة والتي من الممكن ان يكون من الصعب على الدائرية ملائمتها، كما يمكنها إمرار تدفقات كبيرة ومن أجل ملائمة كافة ظروف الموقع .

1. تنفذ العبارات الدائرية المقطع عادة من البيتون المسلح مسبق الصنع على شكل أنابيب مجمعة أبعادها صغيرة نسبياً يتراوح قطر الانبوب الداخلي m (5-2)تجمع الانابيب بواسطة حلقات محكمة لإغلاق.
2. تنفذ العبارات البيضوية المقطع من البيتون المسلح ويتراوح عرضها بين m (1-6) بحسب التدفق المار فيها
3. تنفذ العبارات الصندوقية من البيتون المسلح وهي عبارة عن انابيب مجمعة يصل طولها حتى 1m وهي اكثر المقاطع انتشارا في الحية العملية .

الشكل (2): المقطع العرضي للعبارة الدائرية

الشكل (3): المقطع العرضي للعبارة الصندوقية

الشكل (4): المقطع العرضي للعبارة القوسية

3-المواد المستخدمة في بناء العبارة :

ان اختيار مادة البناء في العبارات يتعلق بعدة عوامل :

أ- يجب ان تتحمل الانابيب المستخدمة القوى المختلفة التي تؤثر عليها وذلك من خلال مرحلة استثمار المنشأة .

ب- يجب ان تراعى التأثيرات الكيميائية للمواد المنحلة في المياه على الجدران الداخلية والخارجية للعبارة

ج- يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار التأثيرات الميكانيكية لحركة المياه وما تحمله من رواسب  ومواد عالقة على الجدران الداخلية للعبارة .

لقد  كانت المواد المستخدمة في بناء العبارات هي (الحجر- الخشب – الفخار ) ولكن في الوقت الحاضر تم استبدالها بالبيتون والبيتون المسلح والفولاذ

ويمكن أن تكسي العبارات بمواد إكساء أخرى لتقليل التآكل والاحتكاك، على سبيل المثال: تكسي العبارات من الحديد المموج بالخرسانة الإسفلتية.

• ان الانواع الاكثر شيوعاً لمواد العبارات هي :

1.  الخرسانة المسلحة وغير المسلحة
2. الالمنيوم المموج
3.  الحديد المموج

يوضح الشكل (5) عبارة من الحديد المموج كما يوضح الشكل (6) عبارة صندوقية من الخرسانة مسبقة الصنع

الشكل (5) عبارة من الحديد المموج

الشكل (6) عبارة صندوقية من الخرسانة مسبقة الصنع

4- أقسام العبارة:

1. مدخل العبارة
2. مخرج العبارة
3. جسم العبارة
4. مانع لدخول الرواسب مع مياه المجرى السيلي

1-4  مدخل العبارة:

أول أقسام العبارة ويتألف من:

1- جدران استنادية أمامية على الجوانب تقوم بتوجيه الجريان إلى العبارة، كما تعمل على حماية الأرض من الجرف والتآكل.

2- أرضية أمامية تمتد حتى مسافة تساوي تقريبا نصف طول العبارة، وهي عبارة عن طبقة من الحجارة المرصوفة بشكل جيد وبسماكة (0.15-0.25m (

هناك ترتيبات عديدة ومتنوعة تستعمل في مداخل العبارات وتشمل النوعين المسبق الصنع والمصبوب بالمكان.

وعادة يتم عمل مداخل العبارات إما بإبراز جزء من العبارة خارج الردم أو بتنفيذ جدران  استناديه رأسية عند فتحة الدخول من الخرسانة المصبوبة بالمكان أو بوضع قطع طرفية للعبارة مسبقة الصنع أو بعمل تغليف طرفي حول مقطع العبارة متناسب مع انحدار جسم الردم، كما هو موضح في الشكل (7-8-9-10) . كما أن الثبات الانشائي والشكل المعماري والسيطرة على التآكل والمحافظة على الردم تؤخذ بعين الاعتبار عند اختيار ترتيبات الشكل لمدخل العبارة .

من الممكن زيادة القدرة الهيدروليكية للعبارة بالاختيار المناسب لترتيبات المدخل

الشكل (7) مدخل بارز

الشكل (8) جدران رأسية

الشكل (9) وضع قطعة طرفية

الشكل (10) وضع تغليف طرفي

كما أن الثبات الإنشائي والشكل المعماري والسيطرة على التآكل والمحافظة على الردم تؤخذ بعين الاعتبار عند اختيار ترتيبات الشكل لمدخل العبارة.

من الممكن زيادة القدرة الهيدروليكية للعبارة بالاختيار المناسب لترتيبات المدخل.

إن الأطراف الانسيابية  لمداخل العبارات تعتبر أكثر كفاءة من الأطراف المربعة. وكذلك الجوانب المائلة والانحدار الزائد لمدخل العبارة يشير إلى جودة المدخل لأنه يزيد من الكفاءة الهيدروليكية للعبارة بإنقاصه لضياعات التدفق.

الشكل (11) الأطراف الحادة والاطراف الانسيابية لمدخل العبارات

2-4-  منشأة المخرج

1. 1- جدران استنادية خلفية على الجوانب تقوم أيضا بتوجيه المياه الخارجة نحو المجرى السيلي الخلفي، كما أنها تحمي المجرى السيلي الخلفي من الجرف والتآكل.
2. 2- أرضية خلفية بطول يساوي تقريبأ طول العبارة، وتتألف من حجارة مرصوفة ومتلاصقة بشكل جيد وتتراوح سماكتها من m (0.3-0.2)

3-4- جسم العبارة

إن شكل مقطع العبارة والمادة المستخدمة بالإنشاء تختلف من عبارة إلى أخرى وذلك حسب الظروف الخاصة بكل منها من ناحية الغزارة الممكن إمرارها والأبعاد المحددة لها كذلك نوع تربة الارتكاز في منطقة الإنشاء.

لكي نقوم بتخطيط مسار العبارة يجب أن نأخذ بعين الاعتبار مجموعة عوامل:

1- وضع جسم العبارة بالنسبة للمجرى السيلي:

وهذا يكمن بأخذ الأوضاع التالية:

آ-  جسم العبارة يأخذ الوضع الذي يكون فيه قاع العبارة منطبق على قاع المجری

كذلك ميل جسم العبارة مساوي لميل قاع المجرى كما هو موضح بالشكل (12)

الشكل 12

يعتبر هذا الوضع أفضل وضع لجسم العبارة حيث أنه لا يحدث اضطراب للجريان كذلك يقلل من مشاكل النخر الممكن حصوله خلف العبارة

ب- جسم العبارة يأخذ الوضع الذي يكون فيه ميله اقل من ميل المجرى وهذا يقلل من طول العبارة مما يوفر في نفقات الإنشاء ولكن في هذه الحالة حماية الميل الخلفي للطريق عند مخرج العبارة من النخر المتوقع حدوثه

ج- جسم العبارة يوضع جانبا في مكان مرتفع عن قاع المجرى السيلي في هذه الحالة فان الطريق يعمل کسد للمجرى حيث تتجمع أمامه المياه على شكل بحيرة مؤقتة من مزايا هذا الوضع هو تقليل التدفقات المائية المارة بالعبارة مما يؤدي إلى تقليل الحمولات المؤثرة عليها

2- وضع محور العبارة بالنسبة لمحور الطريق والخط الحديدي

آ-   يكون محور العبارة متعامد مع المحور الطولي للطريق

ب-  يكون محور العبارة الطولي غير متعامد مع المحور الطولي للطرق هنا نتغلب على مشكلة النخر التي من الممكن حصولها عند مخرج العبارة ولكن طول العبارة يكون اقل مما هو عله في الحالة السابقة وكذلك إنشاء الجدران الاستنادية الأمامية و الخلفية يكون أصعب في هذه الحالة

• تصنيف العبارات:

تصنف العبارات تبعا لــــ:

1- مادة البناء: عبارات بيتونية بيتونية مسلحة، حجرية، ومعدنية

2-  نظام جريان الماء ضمن العبارة : عبارة ذات  جريان مضغوط- عبارة ذات جريان نصف مضغوطة-  عبارة ذات بجريان حر.

ملاحظة * إن شروط الدخول والخروج تغير من سعات العبارات الصغيرة

يعتبر نظام الجريان الحر أكثر ملائمة للعبارة لأنه لا يسمح بتشكل ضاغط مائي أمام الردمية الترابية التي تمر العبارة عبرها لذلك تصمم العبارات عادة وفق لنظام الجريان الحر إلا أنه عند تمرير تدفقات الفيضان نادرة التكرار يمكن السماح ب الغمر المؤقت لعتبة فتحة مدخل العبارة وبالتالي قد يتحول نظام الجريان بالعبارة إلى نصف مضغوط أو مضغوط

6 – استخدام العبارات:

تستخدم عبارة بفتحات متعددة في حالة الوديان الواسعة، وعندما تكون شروط السرير النهري لا تنصح بإقامة شرائح بيتونية الأرضية الأقنية أو تقسيم المقطع العرضي للجسر إلى أقسام متعددة، تقوم العبارات الصندوقية بتمرير الأنقاض بشكل جيد خلال مواسم الفيضان

7- تحديد سعة العبارة:

يعتبر تحديد سعة العبارة من الأمور الهامة التي يجب أخذها بعين الاعتبار أثناء التصميم، وبشكل عام تعتمد سعة العبارة على الهطل المطري الأعظمي في المنطقة، الذي لا يقدر بشكل اعتباطي بل استناداً الى  البيانات التالية:

1- الهطولات المطرية وتدفق الفيضانات السابقة في المنطقة والتي قد تعكس المتوقع حدوثه.

2- سجلات الدراسة المحلية أو بيانات سكان المنطقة عن شدة وفترات الهطولات المطرية الغزيرة في السنين السابقة والمراجع المقيدة عبارة عن تقارير حالة الطقس أو الهطل أو مستويات التصريف.

3- طبوغرافية وطبيعة الغطاء النباتي السطحي في المنطقة.

4- المبادئ الهيدروليكية لحساب تدفق الفيضان.

8- تحديد نوع وموقع العبارة:

إن تحديد نوع ملائم للموقع وتعيين العبارة المقترحة على امتداد المنحنى الابتدائي الافضل يتطلب تحديد ما يلي :

• تحديد شكل وحجم أولي تجريبي ملائم والتأكد من متطلبات التغطية من أجل نوع العبارة المختارة.
• تحديد منسوب القاع لمخرج العبارة .
• اعتماداً على انحدار سرير المجرى والانحدار الاولي للعبارة يتم تحديد منسوب القاع لمدخل العبارة
• التأكد من منسوب قاع المدخل للعبارة الذي يساوي أو ينخفض عن منسوب سرير المجرى الطبيعي .
• عند انخفاض منسوب المدخل عن منسوب سرير المجرى الطبيعي بشكل ملفت فان تقدير درجة عمل المدخل تحتاج تجنب أو تقليل ترسب الطمي في الاوقات الاضافية .
• وهناك أيضاً اعتبارات مهمة في اختيار موقع العبارات وذلك بغرض الأمان وهي:

1-وجود مجرى مائي حقيقي أو موسمي:

يجب أن يكون هناك تدفق مائي دائم أمو موسمي (مثل سيل، وادي صغير، مصرف)، كما يفضل أن يكون الموقع عند نقطة تجمع طبيعي للمياه. (FHWA, 2012)

2-الانتظام:

هو ملاءمة طبوغرافية الأرض المحيطة، ما يعني انطباق محور المجري مع سرير الجدول. ويجب أن يكون هناك مدخل مباشر إلى العبارة ومخرج مباشر لأن أي تغير حاد يعيق التدفق العادي.

3-الانحدار:

بشكل عام يجب أن يكون انحدار العبارة مساوية تقريبا لانحدار المجرى المائي المجاور كي يسمح بتدفق المياه عبر العبارة بدون ركود. كما أن انحدار الأقنية المحدودة يسبب تقليل سرعة التدفق بالتالي تراكم الرواسب. (Chow, 1959; FHWA, 2012).

• استقرار التربة وأمان الموقع:
• يجب أن تكون التربة قادرة على تحمل وزن العبارة والطريق فوقها.
• يمنع الإنشاء في مناطق معرضة للانهيار أو التآكل الشديد
• تحديد نوع التربة (رملي، طيني، صخري) مهم لاختيار الأساس المناسب (AASHTO, 2018)
• المستوى:

يجب أن توضع العبارة بحيث تكون مقابلة لمستوى مياه الجدول وليست أخفض منه.

إنه من المثالي وضع العبارة في قناة الري لتخفيض تكلفة أعمال الحفر. ولكن هذا الأمر غير ممكن دائما فهناك بعض أسرة الجداول تكون ملتوية وغير مناسبة للعبارات المستقيمة. وفي حالات أخرى قد نحتاج إلى حرف قناة الري عن مكانها لتفادي الحاجة إلى عبارة طويلة بشكل غير اعتيادي. (FHWA, 2012 ،وزارة البيئة المصرية، 2015(.

• سهولة الصيانة والوصول:
• يفضل اختيار مواقع تسمح بالوصول الدوري لأعمال التنظيف والصيانة.
• الابتعاد عن المواقع الوعرة التي تصعب التدخل السريع عند الطوارئ. (USACE, 1997).
• ألا تؤدي العبارة إلى فيضان خلفي:
• يجب أن يكون المقطع العرضي للعبارة كافياً لتصريف كامل كمية المياه المتوقعة.
• يحسب باستخدام نماذج التصريف. (HEC-RAS Manual, 2020)
• تجنب مناطق التقاء عدة مجار مائية:

لأنها تزيد من تعقيد التدفق وتؤدي إلى خطر الانسداد أو الفيضان المفاجئ. (Chow, 1959).

المراجع:

• (2018). Drainage Manual. American Association of State Highway and Transportation Officials.
• Chow, V.T. (1959). Open-Channel Hydraulics. McGraw-Hill.
• (2012). Hydraulic Design of Highway Culverts (HDS-5). Federal Highway Administration.
• HEC-RAS. (2020). Hydraulic Reference Manual. U.S. Army Corps of Engineers.
• (1997). Hydraulic Design Criteria. U.S. Army Corps of Engineers.
• – وزارة البيئة المصرية. (2015). الدليل البيئي لتصميم منشآت الصرف المائي6.