بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
اثر باز شدگي دريچه و دبي جريان در آبشستگي ناشي از جت مستغرق عبوري از دريچه کشويي
خلاصه
آبشستگي موضعي در نزديکي دريچه باعث نشست پي و در نهايت تخريب سازه مي گردد. آبشستگي معمولا از طريق کاهش پارامترهاي بارگذاري يا افزايش پارامترهاي بارگذاري يا افزايش پارامترهاي مقاومتي کاهش مي يابد. در اين تحقيق از کف بند افقي بعد از دريچه کشويي براي مهار 35 mm آبشستگي ناشي از جت مستغرق استفاده شده است . تاثير بازشدگي هاي مختلف دريچه و دبي مختلف جريان را بر روي آبشستگي مورد بررسي قرار گرفت . طبق نتايج بدست آمده هر چه بازشدگي دريچه کمتر باشد، مقدار آبشستگي بيشتر و هر چه دبي جريان کمتر باشد، مقدار آبشستگي کمتر است .
کلمات کليدي: دريچه کشويي، کف بند، بازشدگي دريچه ، دبي، آبشستگي
١- مقدمه (با ٢ خط pt٩ فاصله از کلمات کليدي)
سازه هاي آبي که الگوي جريان را در اطراف خود تغيير مي دهند، ممکن است باعث بروز آبشستگي محلي شوند. زيرا تغيير ويژگي هاي جريان به تغيير ظرفيت حمل رسوب مي انجامد که خود به عدم تعادل بين ظرفيت واقعي حمل رسوب و طرفيتي که جريان رسوب را حمل مي کند منجر مي شود. ممکن است يک تعادل جديدي به دنبال شرايط هيدروليکي تطبيق يافته با آبشستگي، نهايتا بوجود آيد. به عنوان يک تخمين مقدماتي، آبشستگي که از هر يک از فرايندهانتيجه مي شود را ممکن است بطور خطي به يکديگر افزود تا آبشستگي نهايي بدست آيد. به علاوه ممکن است آبشستگي در شرايط متفاوتي از حمل رسوب را از يکديگر تفکيک کرد. معمولا مقياس آبشستگي محلي نسبتا کوتاه است . اما فرايند آبشستگي وابسته به زمان در شرايط اصلي، ممکن است قابل توجه باشد. به همين جهت اين گونه اينگونه زمينه هاي مرتبط با آبشستگي بيان مي کنيم .
آبشستگي عمومي
اين آبشستگي هنگامي رخ ميدهد که کل بستر رودخانه در بازه اي از آن به عللي در حال شسته شدن باشد. آب جاري باعث فرسايش ، حمل و ته نشيني رسوبات در رودخانه ميشود و تراز بستر آن را تغيير ميدهد. تغيير در بستر رودخانه ممکن است به تغييرات مورفولوژي رودخانه منتهي شود.
اين نوع آبشستگي صرف نظر از وجود سازه در رودخانه اتفاق ميافتد و باعث کاهش تراز بستر رودخانه ميشود. اين نوع آبشستگي ممکن است با توجه به توسعه زماني آبشستگي، در بازه هاي زماني طولاني يا کوتاه مدت ايجاد گردد.[١]
معمولا زمان لازم براي وقوع آبشستگي عمومي طولانيتر از زمان رويداد آبشستگي موضعي است . انواع آن در شرايط زير رخ مي دهد:
آبشستگي در خميدگي
آبشستگي در چند شاخه ها
آبشستگي ناشي از انقباض
معمولا با احداث سازه اي مانند دريچه ، سطح مقطع جريان در محل احداث آن کم ميشود. کاهش عرض منجر به افزايش سرعت و ايجاد آبشستگي مي شود.[٢]
از طرفي اين نوع آبشستگي در نتيجه انقباض کانال يا مسير آبراهه ايجاد ميگردد. با انقباض و تنگ شدگي در مسير آبراهه ، مقطع جريان کاهش يافته و سرعت متوسط و تنش برشي بر روي بستر افزايش يافته و در نتيجه قدرت فرسايش و انتقال رسوب جريان بر روي بستر آبراهه افزايش مي يابد. تأثير اين نوع آبشستگي، پايين افتادن سطح بستر آبراهه است .[٣]
مقدار افزايش عمق در امتداد يک تنگ شدگي طولاني را مي توان از معادلات حرکت و پيوستگي رسوب و آب محاسبه کرد. براي شرايط جابه جايي عمومي، راه حل استراب به شکل زير قابل خلاصه کردن است .[٤]
در اين رابطه عمق آبشستگي در تنگ شدگي، عمق جريان در بالادست تنگ شدگي نسبت تنگ شدگي، پهناي رودخانه ، تواني که بين ٠.٦٧ و ٠.٨ قرار دارد.
١-١- آبشستگي موضعي
اين نوع آبشستگي مستقيما ناشي از اثر سازه بر الگوي جريان است و تابعي از نوع سازه ميباشد و ممکن است هم زمان با آبشستگي عمومي و آبشستگي ناشي از انقباض رخ دهد. اين نوع آبشستگي در اثر شدت جريان و گرداب هاي ايجاد شده در اطراف سازه ايجاد ميشود. به طور کلي عمق آبشستگي موضعي بسيار بزرگ تر از عمق آبشستگي ناشي از انقباض و آبشستگي عمومي ميباشد. در تحليل مسايل آبشستگي موضعي، فقط عمق بيشينه آبشستگي در مرحله تعادل اهميت دارد. آبشستگي ايجاد شده اطراف پايه پل ، تکيه گاه جانبي پل و آب شکن نمونه اي از آبشستگي موضعي است .[٥]
آبشستگي موضعي از نظر انتقال وضعيت بستر به دو بستر زنده و آب زلال تقسيم مي شود:
١-٢- آبشستگي آب زلال
زماني اتفاق ميافتد که ذرات بستر در بالادست منطقه آبشستگي حرکتي نداشته باشد و در جاي خود ساکن باشد. تنش برشي بستر در خارج از منطقه آبشستگي موضعي کوچک تر يا مساوي تنش برشي بحراني يا تنش برشي آستانه براي شروع حرکت ذرات بستر ميباشد. در آبشستگي آب زلال حداکثر عمق آبشستگي زماني رخ ميدهد که جريان ديگر قادر به خارج ساختن ذرات از داخل گودال آبشستگي نباشد.
١-٣- آبشستگي بستر زنده
اين نوع آبشستگي زماني رخ ميدهد که جريان در حال حمل رسوب باشد. آبشستگي بستر زنده زماني آغاز ميشود که سرعت برشي بستر از سرعت برشي بحراني بيشتر باشد، يعني باشد. در اين نوع آبشستگي، عمق حفره آبشستگي به سرعت افزايش يافته و به حداکثر مقدار خود ميرسد، اما با آغاز ورود ذرات به حفره ، از عمق آبشستگي کاسته مي شود. زمان تعادل آبشستگي موضعي در بستر زنده نسبت به آب زلال کوچک تر است و در واکنش به گذر از اشکال مختلف بستر نوسان دارد. ماکزيمم عمق آبشستگي بستر زنده به ميزان ١٠ درصد کمتر از ماکزيمم عمق آبشستگي آب زلال مي باشد.
٢- مواد و روشها
در هيدروليک موارد متعددي وجود دارد که لازم است عملکرد آن ها را در قالب مدل هاي رياضي (تحليلي، عددي) و يا تجربي (آزمايشگاهي) مورد مطالعه قرار داد. وقتي که معادلات حاکم بر پديده کاملا شناخته شده و با کاربرد علم رياضي قابل تحليل باشند، از روش عددي استفاده ميشود. در هيدروليک پديده هاي ديگري هم هستند که معادلات حاکم بر آن ها به سادگي قابل تشخيص نبوده و يا در مواردي که در صحت سنجي نتايج حاصل از مدل عددي مورد نظر باشد، در اين صورت از روش هاي تجربي استفاده ميشود. در روش تجربي معمولا مطالعه بر روي اصل پديده سيال مشکل و پر هزينه است و جهت پيش بيني فرآيند اين پديده ها از مدل فيزيکي با مقياس کوچک تر در آزمايشگاه استفاده مي شود. با توجه به اهميت بررسي آبشستگي با استفاده از مدل هاي فيزيکي، اين تحقيق به صورت آزمايشگاهي صورت پذيرفت . در ادامه به تشريح تجهيزات و مدل هاي فيزيکي به کار رفته در اين آزمايشات پرداخته شده است . سپس انواع آزمايش ها، روش ها و مراحل انجام تحقيق تشريح مي گردد. آزمايشات مربوط به اين تحقيق در آزمايشگاه هيدروليک گروه مهندسي آب دانشکده ي کشاورزي دانشگاه تبريز انجام شده است . آزمايشات در فلومي به طول ٩ متر، عرض ٢٥ سانتي متر و ارتفاع ٥٠ سانتي متر از کف انجام شده است . جنس ديواره ي کانال از جنس شيشه و کف کانال ورق گالوانيزه است . در مسير کانال دريچه ي کشويي لبه تيز وجود دارد و براي ايجاد جت افقي و پرش هيدروليکي از اين دريچه استفاده مي شود. براي ايجاد کف بند از کف کاذب و بستر متحرک استفاده شده است . بدين صورت که کف کانال ١٣ سانتي متر بالا مي آيد و کف بندي به ارتفاع ١٣ سانتي متر ايجاد مي کنيم . بعد از کف بند، به طول ١٠٠ سانتي متر، بستر ايجاد مي کنيم . در اين بستر از ذرات رسوبي با قطر متوسط ٥١. . ميليمتر و چگالي نسبي ٢.٤ و انحراف معيار ١.٢استفاده شده است . آزمايشات در باز شدگي هاي ٢،٣ و٤ سانتي متري از دريچه انجام شد، همچنين دريچه در ٣ فاصله ي طولي ٣٠،٤٥،٦٠ سانتيمتر از ابتداي کف بند تنظيم مي شود. جت آب بعد از عبور از زير دريچه و عبور از کف بند به بستر مي رسد و به محض رسيدن به بستر، بستر شروع به فرسايش مي کند. قبل از انجام آزمايش سطح بستر کاملا هم سطح لبه ي کف بند است . اين آزمايش در ٢ دبي مختلف ٧.٥ و ١٠ ليتر بر ثانيه انجام شد.
براي اندازه گيري دبي از سر ريز مثلثي که در انتهاي فلوم قرار دارد استفاده مي شود. همچنين براي بررسي تاثير عمق پاياب بر روند آبشستگي، مقدار حداکثر آبشستگي را در ٤ عمق پاياب ١٥.٨، ١٧.٢، ١٨.٦، ١٩ در طول کف بند ٤٥ و باز شدگي ٢ و ٣و ٤ سانتي متر را بدست آورديم . عمق جريان در پاياب توسط عمق سنج با دقت ١.. ميلي متر اندازه گيري شد. براي ايجاد عمق استغراق ابتدا دريچه را کاملا باز مي کنيم تا فلوم پر از آب شود و دريچه ي انتهايي کانال کاملا بسته است . به تدريج دريچه را مي بنديم تا به باز شدگي مورد نظر برسد و دريچه ي انتهايي را به تدريج باز مي کنيم . به محض تنظيم دريچه و ايجاد جت مستغرق ، آبشستگي انجام مي شود. برداشت پروفيل در فاصله ي زماني١،٥،١٠،١٥،٣٠،٦٠،١٢٠،١٥٠،١٨٠ دقيقه انجام شد و براي برداشت پروفيل ، ديواره ي فلوم را در فاصله ي ٥ سانتي متر توسط اشل شفاف درجه بندي کرده ايم و در زمان هاي مختلف محل بستر را مشخص مي کنيم . مدت انجام آزمايش ٣ ساعت است و طي اين ٣ ساعت آبشستگي ادامه دارد و نمي توان براي گودال آبشستگي مقدار ثابتي را در نظر گرفت .
اما بعد از مدتي، آبشستگي به حالت حدي مي رسد و بعد از آن بستر زياد تغيير نمي کند. در کل ٧٢ آزمايش انجام شد که از داده ي ميانگين استفاده کرديم .
٣- نتايج و بحث
نتايج اندازه گيريهاي آزمايشگاهي بصورت پارامترهاي بي بعد شده در اشکال (٢) تا (٨) نمايش داده شده است . همانطوريکه در شکل (٢) نشان داده شده است ، ملاحظه ميشود که با کاهش بازشدگي دريچه ، مقدار آبشستگي زياد ميشود. در ابتدا چون آبشستگي نزديک کف بند است و گرداب هاي ناشي از جت مستغرق و جدايي جريان لبه کف بند ايجاد ميشود، به همين دليل شيب نمودار در ابتدا زياد است ولي با گذشت زمان هر چه از لبه کف بند فاصله ميگيرد، اثر گرداب ها کمتر ميشود و شيب نمودار نيز کمتر ميشود. زمان تعادل در باز شدگي هاي ٢ و ٣ سانتي متر تقريبا ١٢٠ دقيقه است ، اما در مورد باز شدگي ٤ سانتي متر، زمان تعادل تقريبا ١٦٠ دقيقه است .
با توجه به شکل هاي (٣) و (٤) ميتوان نتيجه گرفت به ازاي يک بازشدگي، هر چه طول کف بند بيشتر باشد، نسبت عمق آبشستگي به عمق حداکثر کمتر است و محل برخورد جت نزديک کف بند است . همچنين شيب ابتدايي جريان در يک بازشدگي به ازاي طول کف بند کمتر بيشتر است .
با مقايسه شکل هاي (٣) و (٤) ميتوان نتيجه گرفت هر چه بازشدگي کمتر باشد، آبشستگي بيشتر و نسبت عمق آبشستگي به عمق حداکثر بيشتر است . مطابق نمودار شکل (٥) تا(٨) به ازاي افزايش دبي جريان و افزايش شدت جريان ، مقدار عمق تعادل آبشستگي و شدت توسعه عمق آبشستگي افزايش مييابد. با افزايش شدت جريان ، قدرت جريان در اطراف لبه کف بند بيشتر ميشود و گرداب هاي ناشي از جت مستغرق وجدايي جريان در لبه کف بند افزايش مييابد. شيب ابتدايي آبشستگي در دبي ١٠ ليتر بر ثانيه ، بيشتر از دبي ٧.٥ ليتر بر ثانيه است و اين به خاطر وجود فوران هاي بيشتر در دبي ١٠ ليتر بر ثانيه است . زمان تعادل در دبي١٠ ليتر بر ثانيه برابر ١٧٠ دقيقه است و از اين زمان به بعد تقريبا آبشستگي با سرعت کمتري انجام ميشود، ولي در دبي ٧.٥ ليتر بر ثانيه زمان تعادل ١٢٠ دقيقه است . زماني که با دبي ١٠ ليتر بر ثانيه ، به تعادل ميرسد، آبشستگي حدود ٦ ميلي متر است ، اما به ازاي دبي ٧.٥ ليتر بر ثانيه ، در طي ٦٠ دقيقه حدود ٣ميلي متر آبشستگي ايجاد ميشود..
