دانلود مقاله بررسی و مقایسه مدلهای رسوبی و انتخاب یک مدل ریاضی برای رودخانه

word قابل ویرایش
174 صفحه
18700 تومان

چکیده :
سیستان پهنداشت آرمیده در بستری خشک سالهاست که از برکت رودخانه هیرمند وهامونهای موجود که از کوههای هندوکش در افغانستان سرچشمه می گیرند سیر آب می شود .
در این پایان نامه با مطالعه به روی رسوبات این رودخانه که سبب بالا آمدن کف رودخانه وکاهش حق آبه ایران شده است ، سعی گردیده تا با بررسی فرمولها ومدلهای مختلف رسوب وانتخاب وکار به روی یک مدل خاص(Hec-6) تغییرات بستر رودخانه را پیش بینی کنیم تا در نتیجه بتوان در اثر وجود اطلاعات بستر راهکارهای علمی تری برا ی کنترل این رسوبات ارئه دهند.

در این پایان نامه ابتدا بررسی تئوریک رسوب وبرخی اصطلاحات مربوط به این علم پرداخته شده است و سپس با تعریفی از منطقه واطلاعات موجود درمنطقه و نیز اطلاعات به دست آمده ،‌رودخانه سیستان ومنطقه مورد نظر بطور اجمالی شناسانده شده است . در دنباله مدلها وفرمولهای مختلف رسوب را مورد بررسی قرار داده ومدل (Hec-6) به عنوان مدل قابل استفاده انتخاب شده است . سپس با اجرای این مدل یک بعدی ماندگار(با استفاده از مقاطع سا ل۱۳۷۰ وپیش بینی این مقاطع برای ۸ سال بعد و مقایسه آنها با مقاطع سال ۱۳۷۸ فرمول توفالتی بعنوان فرمولی که نزدیک ترین جواب را با نقشه های سال ۱۳۷۸ داشت انتخاب گردید .

(۱-۱)-مقدمه :
هنگامیکه سنگ اصلی تحت تأثیر هوازدگی متلاشی شد مواد توسط آب یا باد حمل می شوند و رسوبات را بوجود می آورند.
(۲-۱)-انواع رسوبات:
۱- آبرفتی:
مواد معدنی که به وسیله رودخانه حمل می شوند و ته نشین می گردند.
۲- لِس:
روسوباتی که توسط باد جابجا می شوند.
۳- رسوبات یخچالها:

رسوباتی که توسط یخچالها حمل می شوند.
در این مبحث درباره آب جاری و رسوبات بحث می کنیم. به همین منظور برخی از متداولترین اصطلاحات بکار رفته در این علم معرفی می شود.
۱- جرم مخصوص: (Den stiy)
عبارتست از جرم در واحد حجم
۲- وزن مخصوص: (Specific weight)
عبارتست از وزن در واحد حجم

بین دو اصطلاح فوق رابطه زیر برقرار است.
– (۱-۱)
: وزن مخصوص
: جرم مخصوص
: شتاب ثقل
وزن مخصوص دانه های رسوب ته نشین شده به میزان تحکیم توده رسوب بستگی دارد که با گذشت زمان افزایش می یابد.

۳- چگالی: (Specific gravity)
عبارتست از نسبت وزن مخصوص ماده مورد نظر به وزن مخصوص آب در دمای Cْ۴ (متوسط چگالی رسوب ۲٫۶۵s می باشد.)
۴- تخلخل:
تخلخل در تبدیل حجم دانه های رسوب به حجم کل توده رسوب و برعکس کاربرد دارد و آن عبارتست از نسبت حجم منافذ به حجم کل توده رسوب.
(۲-۱)-
p : تخلخل

Vv: حجم منافذ
Vt: حجم کل توده سرب که در بر گیرنده حجم منافذ نیز می باشد.
Vs: حجم دانه های رسوب

۵- اندازه ذرات رسوب
این خصوصیت مهمترین و اصلی ترین خصوصیت رسوب می باشد که مورد بررسی قرار می گیرد به همین دلیل برای تعریف آن از اصطلاحات زیر استفاده می شود.
الف: قطر کره معادل (Nominal diameter)
قطر کره ای است که حجم آن برابر حجم ذره مورد نظر می باشد. این قطر تصویری در مورد اندازه فیزیکی ذره بدست می دهد.
ب: قطر عبوری از الک (Sieve diameter)
کوچکترین اندازه چشمه الکی است که ذره کروی مورد نظر از آن عبور می کند. در بیشتر موارد از یکسری الک با اندازه های مختلف جهت تعیین قطر ذرات رسوب بزرگتر از ۰۶۲۵/۰ میلیمتر استفاده می شود.

 

ج: قطر سقوط (fall diameter):
عبارتست از قطر کره معادلی که دارای چگالی ۶۵/۲ بوده و در آب استاندارد cْ۲۴ سرعت سقوطی معادل با سرعت سقوط ذره داشته باشد.
د: قطر رسوبی (sediment diameter):
قطر کره ای است که دارای چگالی نسبی و سرعت ته نشینی نهایی برابر با ذره مورد نظر در مایع رسوبی مشابه و تحت همان شرایط باشد.
و: اندازه سه محوری:

در این روش اندازه ذره بر اساس سه محور عمود بر هم یک ذره صورت می گیرد. این قظر با توجه بر اینکه رفتار هیدرو دینامیکی ذرات را در آب مد نظر قرار می دهد دارای دقت زیادی است ولی به دلیل مشکل اندازه گیری آن معمولاً انجام نمی شود.
۶-لزجت:عبارتست ازدرجه مقاومت سیال در مقابل جریان یافتن در اثر یک نیروی اعمال شده
۷-رابطه مانینگ:یکی هز روابط استفاده شده در جریانات ماندگاراست

۸- زاویه قرار (Angle of repose) (O):
عبارتست از زاویه شیبی که توده مصالح ریخته شده در آب در آستانه حرکت به خود می گیرند که تابعی است از اندازه و شکل ذرات رسوبی
۹- کرویت ذره (Sphericiti)
عبارت است از نسبت مساحت کره هم حجم ذره به سطح جانبی واقعی ذره مورد نظر

۱۰- گرد شدگی ((Roundness
نسبت شعاع کوچکترین دایره گوشه ها به شعاع دایره محاط بر کل تصویر ذره یا شعاع ظاهری ذره
۱۱- فاکتور شکل
عبارتست از نسبت کوچکترین محور ذره به جذر حاصل ضرب متوسط و بزرگ ذره به این رابطه برای بررسی اثر شکل بر سرعت سقوط ذره مناسب است.
(۳-۱)-

۱۲- نسبت پهنی:
این سرعت نیز دارای مبنایی مانند فاکتور شکل می باشد و با رابطه زیر به دست می آید.
نسبت پهنی = (۴-۱)-

۱۳- سرعت سقوط: (fall velocity)
به متوسط ته نشینی یک ذره در حجم نامحدود از آب خالص گفته می شوداین پارامتر به طور مستقیم وضعیت حاکم ما بین جریان و دانه های رسوب در خلال جابجا شدن رسوب توسط آب (اعم از حرکت آهسته دانه ها، انتقال و یا ته نشینی) است.
سرعت سقوط ذرات به عوامل زیر بسته است:
۱- اندازه
۲- شکل
۳- میزان زبری سطوح
۴- چگالی
۵- مزجت سیال
و مقدار آنرا می توان از تعادل نیروی وزن غوطه ور ذره و نیروی رانش تعیین کرد.
۱۴-تنش برشی:هنگامیکه اب درکانال جریان می یابدنیرویی در جهت حرکت اب بر سطح بستر کانال اثر می کند این نیرو به عنوان تنش برشی شناخته می شود.
۱۵- فرم بستر

انواع فرم بستر:
۱- رپیل
۲- دون
۳- حالت انتقالی
(۴-۱)-انواع رژیم جریان:
۱- رژیم جریان پائینی با فرم بستر

۲- انتقالی
۳-بالایی
خصوصیات رژیم جریان پائینی:
۱- بار موا د بستر کم
۲- مواد رسوبی در نزدیکیهای بستر و یا روی پشت رپیلها یا دونها حرکت کرده، حرکت پلکانی است.
۳- مقاومت در مقابل رژیم جریان زیاد می باشد و افزایش مقاومت مربوط به زبری بستر است.
۴- پروفیل سطح آب با پروفیل بستر همسوئی ندارد.
خصوصیات رژیم جریان بالایی:
۲- مقاومت در جریان کم
۳- پروفیل سطح آب با پروفیل بستر همسویی دارد.
۴- هرچند مواد رسوبی به سمت پائین دست حرکت می کنند ولی خود موج بستر به طرف بالا دست حرکت می کند.

خصوصیات رژیم انتقالی:
۱- زمانی بوجود می آید که دونها شسته شده و سطح بستر صاف باشد.
۲- زبری بستر کم است.
۳- رژیم جریان پیوسته نیست و رابطه دبی – اشل پیوسته نیست.

(۱-۵)-فرم بستر
فرم بستر در اثر حرکت بوجود می آید که خود تأثیر مستقیمی بر روی زبری و در نتیجه مقاومت در مقابل جریان دارد.
انواع فرم بستر:
۱- ریپل:

فرمهای بستری هستند با طول موج کم (کمتر از cm30 ) و ارتفاع کوتاه (کمتر از mm3)
2- دون:
۳- از ریپلها بزرگتر هستند، معمولاً هنگامیکه سرعت حرکت زیاد است و میزان حمل رسوبات بالاست بوجود می آید. در این حالت پروفیل سطح آب و بستر رودخانه همسو نیستند.

۳- خیر آب معکوس:
در این فرم بستر پروفیل سطح آب و بستر همسو هستند. همچنین وابسته به سرعت و عدد فروید هستند و دارای دو شکل سینوسی و مثلثی می باشند.
۴- سرسره و استخر:
رودخانه دارای شیب زیاد است و حمل رسوبات نیز زیاد می باشد، جریان در ابتدا فوق بجرانی و در پائین دست فوق بحرانی یا زیر بحرانی می باشد.
(۶-۱)-رژیم جریان:
فرم بستر به صورت دون یا ریپل می باشد. بار مواد بستر کم می باشد و مواد در رسوبی نزدیک بستر حرکت می کند
(۷-۱)-پیش بینی فرم بستر:
۱- سایمون و ریچاردسون:

این روش بستر را بر اساس قدرت رود ( ) و قطر متوسط ذرات بدست می دهد.
این روش برای رودخانه های ماسه ای قابلیت کاربرد دارد.
۲- عطاء ا…:
این روش فرم بستر را بر اساس عدد بدون بعد F و می دهد.
۳- روش فان راین:

حرکت بار بستر توسط دو پارامتر بدون بعد D* و T مشخص می شود.
(۵-۱)-
(۶-۱)-
u*c : سرعت برشی بحرانی
به دست آوردن برخی از پارامترهای هیدرولیکی
ضریب ثابت مانینگ (ضریب مقاوم جریان)

(۸-۱)-معادله مانینگ -(۷-۱)
در این معادله n یک عدد ثابت بی بعد نیست و دارای بعد می باشد. مقدار n به عوامل زیر بسته است.
۱- زبری سطحی
۲- رویش گیاهی

۳- نامنظمی کانال یا رودخانه
۴- تراز آب، آب شستگی و ته نشینی مسیر کانال
برای بدست آوردن آن از تصاویر ارائه شده توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده استفاده کرد.
همچنین برای ب دست آوردن Ks ثابت استریکلر از رابطه زیر استفاده می شود.

Ks= (8-1)-
جدول (۱-۱)

ثابت استریکلربرای مصالح مختلف بنایی[۵ ]
K (mm) مصالح
۱-۵٫۰ چدن نو
۵٫۱-۱ چدن تقریباً فرسوده
۸٫۰-۱ ملات سیمان، صاف شده

۲-۱ ملات سیمان، زبر
۵٫۲-۱ تخته های چوبی زبر
۱۵-۸ مصالح بنایی زبر

همچنین رابطه بین Ks و n به قرار زیر است.
= K s -(9-1)
مقدار n با ضریب مانینگ در کانالهای خاکی بدون پوشش گیاهی عموماً از رابطه استریکلر تعیین می شود و در مجاری با پوشش گیاهی از را بطه felkel محاسبه می شود.
(۱۰-۱)-
U: سرعت
Rh: شعاع هیدرولیکی
(۱۱-۱)-
hp: نشان دهنده طول ساقه
M : متوسط چگالی مقدار گیاهان در متر مربع
فرمول فوق برای بستری که شیبهای آن پوشیده از گیاه باشد استفاده می شود و برای جریان بدون پوشش ضریب مقاومت از رابطه استریکلر بدست می آید. و تأثیر پوشش گیاهی با توجه به شناخت نسبت محیط خیس شده غیر پوششی در طول کل مسیر در نظر گرفته می شود.
(۱۲-۱)-

Kst: ضریب استریکلر
: شیب خط انرژی در کل طول
Rh: شعاع هیدرولیکی
A: سطح مقطع جریان
P: محیط خیس شده
D: قسمت محیط خیس شده غیر پوششی
همچنین در روشهای محاسباتی در حالتی که بین قسمتهای پوششی و غیر پوششی اختلاف سطح وجود داشته باشد ضریب زبری مورد استفاده توسط رابطه زیر جانشین می شود.
(۱۳-۱)-
(۱۴-۱)-
Kst2: ضریب استریکلر بدون توجه به پوشش
Api= dpi hi m(15-1)-
(16-1)-
Rh: شعاع هیدرولیکی cw=1~1.5
Dpi: قطر متوسط تنه درخت
H: تعداد تنه های روی طول L و یا عرض b
L: طول استاندارد مقطع انتخابی پوششی
B: عرض کمربند رویش
Axaz: فواصل بین محور درختان در طول حرکت آب ax و در طول عمود بر آن az
A: سطح جریان با قسمت چوبی بدون کم کردن سطوحی که به وسیله آنها اشغال شده است.
محاسبه زبری بستر جریان رودخانه سیستان در حالت حفاظت سواحل با پوشش گیاهی بر اساس فرمول DVWK
b= 18cm
L= 3
Ax,az =1.5m
Rh= 5m
A= 600m2
V= 2.5m
hi=28
n= 0.0352
Kst: 29

dpi= 0.1m
Api=0.1×۲۸×۲۴=۶۷٫۲
LA= 3×۶۰۰=۱۸۰۰
Cw= 1.25

ضریب مانینگ برای یک ساحل جریان رودخانه در حالت پوشش گیاهی

(۱۷-۱)-
رابطه پادولوفسکی

Kst=12.3
= neضریب زبری معادل کل بستر

جدول ۲
با زه بندی رودخانه سیستان از نظر پوشش [۷]
بازه طول (km) وضعیت پوشش گیاهی
I ناحیه سه شاخه هیرمند تا سه کهک ۲ فاقد پوشش
II سد کهک تا سد زهک ۱۴ نسبتاً فاقد پوشش
III سد زهک تا سد سیستان ۱۹ دارای پوشش گیاهی نمی باشد
IV سد سیستان تا سه شاخه ادیمی ۱۲ ناحیه سیل گیر پوشش دارد
Va , Vb سه شاخه ادیمی و افضل آباد ۱۲ تقریباً بدون پوشش

جدول ۳
ضریب زبری تعیین شده از بررسی های صحرایی[۷]
۳۵ ۰۴۸/۰ ۰۳۵/۰
۱۲ ۰۵۵/۰ ۰۳۵/۰ Iv
12 070/0 035/0 VA , VB

تأثیر میاندوره ها بر n ناچیز است.

(۱-۲)-مقدمه :
در مورد آستانه حرکت همه دانشمندان منظور ثابتی را استنباط نمی کنند.
بعضی شروع حرکت یک یا دو ذره را که با چشم دیده می شود و بعضی شروع حرکت ذره را برابر مقدار جریانی دانسته اند که مقدار حرکت مواد رسوبی در پائین دست کانال صفر باشد. برخی هم وجود لحظه ای را به عنوان آستانه حرکت قبول ندارند.
(۲-۲)- رابطه موجود برای استانه حرکت
۱- دیاگرام شیلدز:
شیلدز تحلیل ابعادی را برای تعیین بعضی پارامترهای بی بعد بکار برد و نمودار مشهورش را برای آستانه حرکت ارائه کرد، این نمودار که از دو قسمت پارامتر شیلرز بحرانی و عدد رینولدز مرزی *Re تشکیل شده در شکل ۱ازضمیمه۱ ارائه شده است.
(۱-۲)-
(۲-۲)-
* =Reعدد رینولدزمرزی
* U = سرعت برشی
Ds= قطر متوسط ذرات
U= لزجت سینماتیک
= شیلدز بحرانی
= تنش برشی بحرانی
= وزن مخصوص رسوب
= وزن مخصوص آب
در دیاگرام شیلدز اگر نقطه تلاقی c و Re* بالای منحنی قرار بگیرند ذرات بهتر حرکت می کنند و چنانچه این محل تلاقی در زیر این خط منحنی باشد نشانگر این است که ذرات حرکتی ندارند و خود این خط منحنی نشانگر آستانه حرکت است. از طرفی در رودخانه های طبیعی معمولاً عدد رینولدزمرزی به حدی می باشد که شرایط بستر زبر را بوجود می آورد و در نتیجه مطابق دیاگرام تحت این شرایط عدد رینولدز مرزی عدد ثابتی است که این عدد ثابت توسط شیلدز ۰٫۰۵۶ بیان شد. در این حالت Re<400 ، و همچنین نیروی لزوجت جهت تأثیر چندانی ندارد.
(۳-۲)-
۲- دیاگرام گسلر:
گسلر منحنی شیلدز را بصورت شکل ۲از ضمیمه۱ اصلاح کرد و این اصلاح بخصوص برای جریان کاملاً درهم و بستر زبر صورت گرفت، بطوریکه عدد ثابت برای Re*>400 برابر ۰٫۰۴۷ بدست آمد، میر، پیترومولر نیز این تحقیقات را تأئید کردند.
Re*>400(4-2)-
3- شولیتس و هیل:
این دو دانشمند منحنی ارائه شده توسط گلسر را بجای سه قسمت به چهار قسمت تقسیم کرده و برای هر قسمت یک رابطه ریاضی بصورت زیر ارائه کردند.
(۵-۲)-
(۶-۲)-
(۷-۲)-
(۸-۲)-

۴- روش تجربی لین:
بر اساس مشاهدات تنش برشی بحرانی برای آب زلال کمتر از مخلوط آب و رسوب ذره می باشد همچنین لین بر اساس مطالعات خود شکل ۴ازضمیمه ۱ را به دست آورد و نیز برای کانالهای آبیاری با بستر شن و ماسه رابطه زیر را ارائه کرد.
(۹-۲)-
D75= بر حسب mm
:بر حسب پوند پرفوت مربع
چگالی ذرات ۲٫۶ فرض شده است
لین همچنین اولین کسی بود که نیروهای وارد بر ذره در بدنه کانال را مورد تجزیه و تحلیل قرارداد. وی برای ساده کردن مسأله فرضهایی به شرح زیر ارائه کرد.
۱- x = 0 ( حرکت یکنواخت آب به طوری که سطح آب موازی باشد.
۲-fl را در جمع نیروها منظور نکرد.
۳-ذره در شروع حرکت می لغزد.
و در نهایت معادله لین به صورت زیر ارائه شد: (برای بدنه کانال )
(۱۰-۲)-
: تنش برش بحرانی برای یک ذره در روی بذر
:تنش برش بحرانی برای یک ذره در روی بستر کانال
: زاوبه ایسنائی
: زاویه شیب بدنه
۵- روش بحرانی سرعت
در این روابط از سرعت جریان بجای تنش برشی استفاده شده است. این روابط عمدتاً بر اساس تجزیه و تحلیل آنالیز ابعادی و استفاده از داده های تجربی بیان شده است.
(۱۱-۲)-
: سرعت جریان در نزدیکی های بستر:
:جرم مخصوص رسوب
: جرم مخصوص سیال
:اندازه متوسط ذرات
: ضریب ثابت که برای بدست آوردن آن از روشهای زیر استفاده می کنیم.
۶- رابطه Berry:
بری برای ذره در بستر کانال رابطه زیر را به دست آورد.
(۱۲-۲)-
: بر حسب اینچ
: بر حسب فوت در ثانیه
در این آزمایشات چگالی ذرات ۲٫۶۵ می باشد.
۷- ابطه Mavis و LAushy
: بر حسب میلی متر
(۱۳-۲)-
: بر حسب ft/s
رابطه Garde و Raju
(14-2)-
8- روش استراب:
از ترکیب روابط شیلدز ، مانینگ و استریکلر رابطه زیر به دست آمد.
(۱۵-۲)-
۹- روش نیل:
(۱۶-۲)-
۱۰- روش بوگاردی:
(۱۷-۲)-
۱۱- روش ماینورد:
(۱۸-۲)-
این رابطه برای ذرات سنگی واقع در بستر کانال نوشته شده است.
۱۲- روش بروکنز:
در آنالیز لین فرض شده که خطوط جریان موازی افق می باشد ولی چنانچه خطوط جریان افقی نبوده و با آن زاویه را بسازند. رابطه زیر توسط بروکنز نوشته شد:

(۱۹-۲)-
: زاویه خطوط جریان با افق
۱۳- روش اگیازاروف:
این روش بر خلاف روش شیلدز برای رودخانه ای با مصالح غیر یکنواخت کاربرد دارد. بدین منظور :
۱- ابتدا منحنی دانه بندی را به چند قسمت تقسیم (چند دامنه) می کنیم.
۲- برای هر دامنه اندازه ای را که معرف آن دامنه باشد تعیین می کنیم (Di)
3- اندازه میانه مصالح را بدست می آوریم (Dm)
(20-2)-
بدین منظور ابتدا منحنی دانه بندی را به چند قسنت تقسیم کرده و از رابطه زیر Dm را محاسبه می کنیم.
Dm: اندازه میانه ذرات
Di: اندازه متوسط هر قسمت
Pi: درصد ورزنی مصالح در هر قسمت
۴- از دیاگرام شیلدز، پارامتر شیلدز بحرانی مربوط به Dm به به دست می آوریم.
۵- پارامتر شیلدز بحرانی مربوط به هر یک از اندازه های Di
را از رابطه زیر بدست می آوریم.
(۲۱-۲)-
: پارامتر شیلدز بحرانی برای اندازه میانه مصالح (Dm)
: پارامتر شیلدز بحرانی برای هر اندازه Di در مخلوط

۱۴- ورش وانگ:
این روش نیز مانند روش اگیازاروف برای رودخانه ای با مصالح غیر یکنواخت نوشته شده است. و به همان طریق بدست می آید بجز دو قسمت آخر که بجای فرمول اگیازاروف از روابط وانگ که به صورت زیر می باشد استفاده می کنیم:
if (22-2)-
if (23-2)-
پارامترهای فوق با پارامترهای روش اگیازاروف یکسان می باشد.
۱۵- روش میچالیک: در این روش نیز بجای رابطه اگیازاروف از رابطه زیر استفاده می شود:
(۲۴-۲)-
۱۷- روش استیونس:
در این روش با این استدلال که چون ذره وافع در بذر کانال در لحظه آستانه حرکت، حول محور حرکت تمایل به چرخیدن و نه لرزش دارد، روشی را ارائه کردند که تأثیر کلیه نیروهای وارد به ذره و همچنین حالتی که سطح آب نیز افقی نباشد منظور گردیده است.
۱۸- تئوری وایت:
در این تئوری تنها نیرویی که باعث غلطیدن می شود نیروی رانش و نیروی مقاوم در مقابل حرکت نیروی وزن اشباع ذره می باشد. در این حالت یک ذره هنگاهی تعادل خود را از دست می دهد که از زاویه بیشتر چرخیده باشد.
وایت بر اساس مشاهدات خود رابطه زیر را ارائه کرد
(۲۵-۲)-
برای جریانات و رقه ای
(۲۶-۲)-
۱۹- روش کالینسکی:
در این روش نکته مهم این است که در نزدیکی ذره، تنش برشی متناسب است با مجذور سرعت در نزدیکی ذره یعنی
بنابر این ممکن است یک ذره شروع به حرکت کند، هر چند که از نظر متوسط تنش برشی موجود کمتر از تنش یحرانی می باشد، کالینسکی رابطه زیر را برای تنش بحرانی پیشنهاد کرد:
(۲۷-۲)-
۲۰- تحقیقات فورتیر و اسکوبی:
این مطالعات به منظور تعیین پیشینه مقدار مجاز سرعت متوسط در آبراهه های مختلف انجام شد ۲۱-روش گاورز:
گاورز بر طبق نمودار شیلدز نمودار اصلاح شده ای را در سال ۱۹۸۷ ارائه کرد که در شکل ۳ازضمیمه۱ آمده است.
۲۲- روش الیور:
به منظور محاسبه اندازه سنگ مورد نظر برای محافظت بدنه پائین دست سدهای خاکی در هنگامیکه ممکن است آب از روی سد عبور کند، لازم است تا شرایط آستانه حرکت در کانال یا شیب تند معلوم شود. بدین منظور و برای آستانه حرکت در بستر کانالهایی که شیب تند دارند از روابط زیر استفاده می شود.
(۲۸-۲)-
: دبی جریان در واحد عرض در شرایط آستانه حرکت
K: ضریبی است که مقدار آن درروش الیور از فرمول زیر به دست می اید به دست می آید.
k=cosa(tanb-tana) -(29-2)
S: شیب کانال
C: ضریبی است که مقدار آن از آزمایشگاه بدست می آید الیور با انجام آزمایشات متفاوت به روی مصالح شن و قلوه، رودخانه ای با اندازه ۶۳/۰ تا ۰۱/۱ اینچ و مصالح شکسته به اندازه ۵/۰ تا ۳/۲ اینچ و بکار بردن شیب کانال از ۱ (عمودی) بر ۵ (افقی) تا ۱ (عمودی) به ۵/۱۲ (افقی) رابطه زیر را ارائه کرد.

برای مصالح شکسته
(۳۰-۲)-
(۳۱-۲)-
q:
D50: inch
23- روش استیونس و همکاران برای مطالعه آستانه حرکت در بستر با شیب تند:
بدین منظور می توان از رابطه مربوطه برای محاسبه دبی بحرانی در کانالهایی با شیب تند استفاده کرد مشروط بر اینکه C از رابطه زیر بدست آید.
(۳۲-۲)-
np: نسبت تخلخل و مصالح بستر
k: از رابطه زیر بدست می آید
(۳۳-۲)-
۲۴- روش شفایی:
در این رابطه K از رابطه زیر بدست می آید (رابطه اولریچ) و مقدار ۴۲۳/۰= C اختیار می شود که در نتیجه جواب به حاصل داده های آزمایشگاهی است و همکاران نزدیک است. همچنین این رابطه به صورت زیر بیان می شود.
(۳۴-۲)-

۲۵- تحقیقات هلستروم:
با توجه به مشکل بودن اندازه گیری سرعت در آب در کف کانال هلسترم مطالعات خویش را بر پایه سرعت متوسط جریان قرارداد و سپس برای کانالهایی با عمق آب حداقل m1 شکل ۵ازضمیمه۱ را ارائه کرد. این شکل رابطه بین اندازه ذرات و سرعت متوسط جریان را برای سر وضعیت فرسایش، انتقال رسوب و رسد بگذاری نمایش می دهد.
در یک عمق بخصوص می توان رابطه مابین سرعت مجاز و قطره ذره را از شکل تعیین کرد و چنانچه لازم باشد در عمقهای دیگر نیز می توان ضریب تصحیحی را با مساوی در نظر گرفتن تنشهای بحرانی درد و عمق مختلف بدست آورد. بدین منظور ضریب تصحیح k از رابطه زیر بدست می آید.
(۳۵-۲) –
۲۶- روش وانونی:
نتایج تحقیقات مختلف در مورد رابطه بین سرعت بحرانی و میانگین اندازه ذرات توسط وانونی به منظور طراحی کانالهایی با جداره های پایدار در شکل ۶از ضمیمه ۱ ارائه شده است.
۲۷- روش میر- پیتر و مولر:
این رابطه جهت تعیین میزان بار بستر ارائه شده که می توان اندازه ذرات رسوبی را که در آستانه حرکت رسوب جابجا می شوند به صورت زیر ارائه کرد.
(۳۶-۲)-
S: شیب طولی آبراهه
D: متوسط عمق جریان
K1: عدد ثابت ( در سیستم انگلیسی ۰٫۱۹ و در سیستم متریک ۰٫۰۵۸)
N: ضریب زبری مانینگ در کف آبراهه
D90: اندازه ذره ای از مصالح بستر که ۹۰% وزنی دانه های بستر از آن بندازه کوچکتر باشند.
D: اندازه ذرات رسوبی در لایه محافظ

۲۸- روش U.S.B.R:
در این روش برای طراحی کانالهای پایدار رابطه ای بین تنش برشی بحرانی و متوسط قطر دانه های رسوب پیشنهاد شد که در شکل۷ ازضمیمه ۱ ارائه شده است.
(۲-۳)- محاسبات اندازه حرکت برای رودخانه سیستان
شروع حرکت وقتی صورت می گیرد که سرعت برشی از سرعت برشی بحرانی بیشتر می شود.
جدول زیر داده های اولیه مربوطه را نشان می دهد.
جدول ۱ : داده های اولیه مربوط به رودخانه سیستان[۷]
دبی
عمق m تنش برشی بستر
سرعت برشی بستر cm/s سرعت متوسط cm/s
63 2/1 030/0 40/5 4/63
173 2/2 055/0 30/7 3/93
379 5/3 088/0 30/9 4/124
600 59/4 115/0 6/10 6/146

با استفاده از دیاگرام گسلروسایرروشهای موجود حداکثر قطر ذرات، رسوبات قابل حرکت در بستر کانال سیل بر محاسبه شده است و در جدول ۲ ارائه شده است.

جدول ۲
آبگذر m3/s شیلدز
گسلر لیو بوگاردی ایگیازارو ف هیل ین و بوگاردی دانشگاه بوداپست
۶۳ ۹/۳ ۵/۶ ۹/۳ ۸/۲ ۶/۳ ۳/۵ ۴
۱۷۳ ۷ ۱۲ ۱/۷ ۲/۵ ۸/۵ ۵/۱۲ ۱/۹
۳۷۹ ۵/۱۱ ۲/۱۹ ۴/۱۱ ۲/۸ ۸/۸ ۶/۲۳ ۸/۱۶
۶۰۰ ۷/۱۴ ۱/۲۵ ۸/۱۴ ۸/۱۰ ۶/۱۱ ۰/۳۴ ۸/۲۳

نیل گنچاروف اشترآب رونتر لین
۱ ۵/۱ ۵/۰ ¼ ۰۱/۰
½ ۳/۳ ۲/۱ ۷/۸ ۵/۱
۶/۳ ۱/۶ ۴/۲ ۲/۱۵ ۵
۵/۵ ۶/۸ ۴/۳ ۲۱ ۲/۶

با استفاده از فرمول Liu برای شرایط آستانه حرکت بصورت:
(۳۷-۲)- ۴۵٫۷ Da =تنش بحرانی
قطر ذرات قابل کنده شدن محاسبه می شود.
به ازاء آبگذرm3/s 63 تنش برشی بر اساس جدول ۱ به دست آمده و با استفاده از فرمول فوق Da محاسبه می شود.
۰٫۰۳=۴۵٫۷ Da Da=6.5
از تئوری های دیگری هم استفاده شده که نتایج حاصله در جدول آمده است.

ارقام به دست آمده از تئوری گنچاروف در ستون مربوطه ارائه شده است.
رابطه گنچاروف:
(۳۸-۲)-
D: قطر رسوب mm
D: عمق جریان m
Uac: سرعت متوسط
رابطه اشتراب:
Uac=75.97 . (39-2)-
رابطه رونتر:
Uac=115.575 -(40-2)
همانگونه که از جدول استنباط می شود نتایج حاصل از روشهای مختلف پراکندگی زیادی دارند و این امر طبیعی است. زیرا هیچیک از این شرایط جامع و کامل نیست و هر کدام تحت شرایط خاصی صادق هستند. ولی می توان یک نتیجه مهم را استنباط کرد که فرسایش در جریانات بالا رخ می دهد و اندازه های محاسبه شده از اندازه رسوبات موجود بزرگتر هستند.

تئوری هلستروم
طبق این تئوری اندازه ذرات طبق جدول زیر آمده است.
تئوری هلستروم جدول۳
آبگذر
سرعت متوسط
قطر رسوبات بدون حرکت حرکت بصورت بار بستر فرسایش
۶۳ ۶۳/۰ > 10 4 تا ۱۰ > 4
173 93/0 16> 7 تا ۱۶ > 7
379 24/1 28 > 13 تا ۲۸ > 13
600 47/1 60 > 22 تا ۶۰ > 22

(۱-۳)-۱منحنی دانه بندی:
مصالح رودخانه ای دارای اندازه های متفاوتی هستند. برای مشخص کردن اندازه این ذرات آنها را از تعدادی الک که روی هم قرا رگرفته اند عبور می دهیم و سپس با داشتن وزن کل خاک و وزن میزان باقی مانده بر روی هر الک می توان منحنی دانه بندی را که روی یک کاغذ نیمه لگاریتمی رسم می شود بدست آورد بدین ترتیب که محور x مشخصه اندازه ذرات و محور y ها معرف درصد ریزتر یا عبوری از هر الک می باشد. با توجه به منحنی فوق می توان پارامترهای زیر را محاسبه کرد:
۱- ضریب یکنواختی: (cu)
(1-3)
خاک یکنواخت if cu < 4
خاک غیر یکنواخت cu > 4 if
منظور از خاک غیر یکنواخت خاکی است که از مخلوط ذرات با اندازه های متفاوت تشکیل شده باشد.
۲- اندازه متوسط ذرات:
عبارتست از اندازه ذره ای که بر ۵۰% وزنی مصالح از آن کوچکتر هستند.
۳- اندازه میانه ذرات: اگر منحنی دراز بندی را به چند قسمت تقسیم کنیم:
(۲-۳)-
: درصد وزنی مصالح در هر قسمت
: اندازه متوسط هر قسمت
۴- اندازه متوسط هندسی
(۳-۳)-
D16 و D84 : اندازه ذره ای که به ترتیب ۱۶ و ۸۴ درصد وزنی و صالح از آن کوچکتر است.
۵- انحراف معیار هندسی
(۳-۴)-
از می توان به عنوان شاخصی برای یکنواختی یا غیر یکنواختی ذرات نیز استفاده کرد. چنانچه اگر
مصالح سبز یکنواخت است
رسوبات غیر یکنواخت است
: انحراف معیار هندسی
اگر مصالح رودخانه ای دارای تئوابع نرمال باشد در اینصورت :
(۵-۳)-
(۶-۳)-
(۷-۳)-
(۸-۳)-
عبارتند از اندازه ذره ای که به ترتیب ۱۰، ۱۶، ۵۰، ۶۰، ۸۴، ۹۰ درصد (وزنی) ذرات کوچکتر از آن اندازه باشد.
دانه بندی رسوبات معلق و رسوبات بستر رودخانه سیستان متفاوت هستند. رسوبات بستر از همان نوعی است که بستر رودخانه را تشکیل می دهد و در حقیقت در آن تناسبی بین بستر رودخانه و رسوبات بار بستر وجود ندارد و مرتباً تبادلی بین این دو صورت می گیرد و می توان با نمونه برداری از بستر رودخانه منحنی دانه بندی بار بستر را اندازه گرفت.
از بستر رودخانه سیستان در جلوی دهانه آبگیر نمونه برداری شده و دانه بندی آن در شکل ۱ازضمیمه ۲ نشان داده شده است. باید توجه نمود که این دانه بندی در تمام طول رودخانه یکسان نیست و به سمت پایاب مرتباً کوچکتر می شود به نحوی که می توان رابطه زیر را برای آن در نظر گرفت.
(۹-۳)-
: یک قطر معروف در ابتدای رود به سیستان
D: مقدار همان قطر در فاصله L از ابتدای رود سیستان
L : مسافت
: ضریبی که با استفاده از مشخصات دانه بندی مصالح بستر رودخانه در پائین دست تعیین می گردد.
(۱۰-۳)-
بر اساس این مشخصات اصلی رسوبات بار بستر عبارتند از

جدول ۱[۹]
ابتدای رود سیستان بالا دست سد زهک
محدوده اندازه (mm) 1 تا ۰۶/۰ ۸۴/۰ تا ۰۶/۰
قطر متوسط ۱۷/۵ ۱۴/۰
قطر ۵۰% ۱۶/۰ ۱۳/۰
قطر ۱۳۵% ۱۳/۰ ۱۲/۰
قطر ۹۰% ۲۴/۰ ۲۰/۰

در جدول ۲از ضمیمه ۲ توزیع قطر ذرات بستر دربازه های مختلف آمده است.
در مورد رسوبات معلق هم آزمایشات دانه بندی انجام نشده است اما با توجه به اینکه رسوباتی که در مخازن چاه نیمه ته نشین شده رسوبات ریز دانه بار معلق رودخانه سیستان هستند می توان با این فرضیه دانه بندی رسوبات معلق را نیز به دست آورد.
بطوریکه از دانه بندی رسوبات کف مخازن چاه نیمه اسنباط می شود میانگین قطر ذرات به غیر از چند مورد استثنائی زیر میکرون هستند. البته رسوبات نمونه برداری شده از مدخل دهانه کانال ورودی دارای اندازه بزرگتری هستند که گمان می رود مربوط به بار بستر نیز باشند. همچنین نمونه برداری ها نشان داد که قطر رسوبات موجود در مخازن شماره ۲ و ۳ و قسمت اعظم مخزن شماره یک در حد ماسه بادی می باشد که قبلاً از طریق باد و در اثر فرسایش تپه های شنی ایجاد شده و یا در واقع ذراتی هستند که قبل از بهره برداری از مخازن در این محل انباشته شده و بخصوص در دریاچه های ۲ و ۳ هنوز توسط رسوبات ریزتر حمل شده بوسیله آب پوشانده نشده اند. آبهای حاوی بار رسوبات معلق کانال ورودی علی الخصوص در برخورد با توده آب صاف محزن شماره یک و از بین رفتن سرعت جریان، ذرات معلق خود را در همین قسمت مخزن برجای می گذارند.
شکل ۲ازضمیمه۲ نشان دهنده منحنی دانه بندی رسوبات معلق می باشد.

(۲-۳)-روشهای محاسبه میزان رسوب
(۱-۲-۳)-تعاریف:
بار بستر:
به رسوباتی که روی بستر کانال در حرکت هستند بار بستر گویند
دبی بار بستر:
مقدار حجم بار بستر عبوری از یک سطح مقطع مشخص در واحدزمان و به آن قسمتی از دبی کل رسوب که مشتمل بر ذراتی است که در کف رودخانه یافت می شود دبی مواد بستر گوئیم. دبی مواد بستر معادل با ظرفیت حمل رسوب رودخانه است.
بار مواد خیلی ریز با آبرفتی:
قسمتی از دبی کل رسوب که ریزتر از مواد کف بستر هستند و در آب معلقند.
بار رسوب:
رسوباتی که توسط جریان در حرکتند.
دبی رسوب:
مقدار حجم کل رسوباتی که از واحد سطح در واخد زمان عبور می کنند.
رسوبا ت حمل شده در سال:
کل رسوب خارج شده از حوضه آبریز در سال.
دبی کل رسوب:
به مجموع بار معلق و بار بستر گویند.
(۲-۲-۳)-روشهای تعیین بار بستر:
۱- معادله دوبولی
این معادله فرض می کندکه رسوبات بستر به صورت لایه ای بر روی هم حرکت می کنند که در این حالت لایه رویی دارای بیشترین سرعت می باشد.
رابطه دوبولی به صورت زیر است:
(۱۱-۳)-
(۱۲-۳)-

: ضریب فرمول دوبولی بر حسب
: بار بستر
: سرعت لایه دوم
: ضخامت هر لایه
: تنش بررسی بحرانی برحسب
: اندازه متوسط ذرات بر حسب mm
2-رابطه کیسی:
این روش بر مبنای داده های آزمایشگاهی استوار است.
کیسی دو رابطه زیر را اراده کرد:
۱- بستر ماسه ای یکنواخت:
(۱۳-۳)-
(۱۴-۳)-
: اندازه میانه ذرات رسوبی بر حسب mm
3-رابطه شیلدز: شیلدز رابطه بدون بعدی به صورت زیر را ارائه کرد که می توان از آن در هر سیستمی استفاده کرد.
(۱۵-۳)-
: اندازه متوسط ذرات
: تنش برشی بستر
: شیب خط انرژی
: تنش برشی بحرانی که از دیاگرام شیلدز به دست می آید
: دبی جریان در واحد عرض کانال
: بار بستر که به صورت حجمی محاسبه می شود.
این رابطه بر اساس داده های آزمایشگاهی به دست می آمد.
۴-رابطه میر – پیتر:
(۱۶-۳)-
: بر حسب فوت
: بر حسب
۵-معادله شوکلیچ:
در این روش بجای استفاده از تنش برشی بحرانی از دبی استفاده شده است. دبی بحرانی دبی است که تحت آن مواد بستر در آستانه حرکت قرار می گیرند، این فرمول بیشتر برای رودخانه های شنی کاربرد دارد.
شوکلیچ روابط زیر را ارائه کرد.
الف:در سیستم انگلیسی:
(۱۷-۳)-
:‌اندازه ذرات رسوبی بر حسب فوت
: درصدی از ذرات رسوبی به اندازه
: دبی جریان در واحد عرض رودخانه بر حسب
: بار بستر بر حسب
: از فرمول زیر به دست می آید:
(۱۸-۳)-
اگر بخواهیم بار بستر را برای رودخانه ای به عرض B بر حسب تن در روز حساب کنیم از رابطه زیر استفاده می کنیم.
(۱۹-۳)-
ب:در سیستم متریک
(۲۰-۳)-
: بر حسب
: بر حسب
: بر حسب
:
۵-فرم تکمیل یافته میر – پیتر و مولر:
این روش بر اساس مطالعات آزمایشگاهی بدست آمده و در رودخانه هایی استفاده می شود که بار بستر دارند و بار معلق آنها ناچیز است.
این رابطه به صورت زیر است.
(۲۱-۳)-
: نرخ انتقال بار بستر در واحد زمان، در واحد عرض آبراهه، دبی وزنی رسوب (ton/sec/m)
: اندازه میانه ذرات
: درصدی از ذرات که دارای اندازه می باشند.
: در این رابطه بخشی از شیب خط انرژی کل می باشد که بر اثر مقاومت دانه ها در برابر جریان به وجود می آید و در حرکت بار بستر مؤثر است و از رابطه زیر به دست می آید:

R : شعاع هیدرولیکی (m)
S : شیب خط انرژی
: جرم مخصوص آب
: به ترتیب وزن مخصوص رسوب و آب
برای بدست آوردن از دیاگرام مودی استفاده می شود.
رابطه میر – پیتر و مولر ارائه شده توسط bvBr:
(22-3)-
: نرخ انتقال بار بستر
: دبی جریان آبکه حمل و نقل مواد بستر را تعیین می کند.
: دبی کل جریان
: عمق متوسط
: شیب خط انرژی
: توسط VSBR به صورت زیر معرفی شده است.
الف:برای کانال های مستطیل شکل
(۲۳-۳)-
که در آ‌ن (۲۴-۳)-(
ب:برای کانال های ذوزنقه ای
(۲۴-۳)-
که در آن
(۲۵-۳)-
در این روابط
: ضریب زبری کل مقطع
: ضریب زبری بستر
: ضریب زبری بدنه رودخانه
: شیب بدنه کانال
۶-روش کالینسکی:
کالینسکی با بدست آوردن رابطه زیر شکلی رسم کرد که با توجه به آن مقادیر ، ، و می توان مقدار را بدست آورد.
(۲۶-۳)-
: از رابطه به دست می آید.
: متوسط اندازه ذرات
: سرعت برشی
: دبی رسوب (بار بستر) در واحد عرض آبراهه
شکل ۳ازضمیمه۲ نشان دهنده معادله بار بستر کالینسکی می باشد.
۷-روش چانگ، سایمونز و ریچاردسون:
این دانشمنمدان در سال ۱۹۶۷ معادله بار بستر را به صورت زیر ارائه کردند:
(۲۷-۳)-
: ضریب ثابت
: زاویه ایستایی دانه های رسوبی غوطه ور
: ضریبی است که بر اساس نتایج آزمایشگاهی به دست می آید و آنرا می توان از شکل ۴ازضمیمه۲ به دست آورد.
بکار رفته در شکل ۴ازضمیمه۲ کمی بزرگتر از دانه های بستر است.
۸-رابطه دونات:
دونات در سال ۱۹۲۹ با فرض یکسان بودن ضریب شزی در عمقهای نرمال و بحرانی رایطه زیر را ارائه کرد:
(۲۸-۳)-
: ضریب زبری شنزی
: وزن مخصوص آب
: به ترتیب سرعت متوسط و سرعت بحرانی در آستانه حرکت
:ضریب ثابتی است که از شکلهای ارائه شده توسط دونات بدست می اید

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 18700 تومان در 174 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد