بخشی از مقاله
بررسی اثر طول پله بر استهلاک انرژی در سرریز پلکانی توری سنگی با صفحات نفوذناپذیر در پله ها
چکیده
امروزه طراحی و اجرای بناهای بتنی، سنگی، خاکی یکی از راههای مناسب برای بهره برداری، انحراف و استحصال آب رودخانهها میباشد. سرریزهای گابیونی یا توریسنگی پلکانی، پلههایی متشکل از مصالح توری فولادی نرم گالوانیزه و سنگ میباشند. این نوع سرریزها کاربردهای زیادی در ساختمان سدها، مهندسی رودخانه و حفاظت خاک دارند. استهلاک انرژی جریان از روی این سازه به علت وجود جریان درونگذر و روگذر پلهها زیاد بوده و لذا هزینههای ساخت حوضچه آرامش کاهش مییابد. در این نوع سرریزها دو نوع جریان روگذر و درونگذر وجود دارد که در استهلاک انرژی نقش دارند. بررسی هیدرولیکی جریان، تاثیر طول و شیب پلهها بر محاسبه افت انرژی از اهداف این پژوهش میباشد. برای این منظور مدل فیزیکی از سرریز گابیونی پلکانی با تخلخل 50 درصد و شیب 1:1 ساخته شد. برای بررسی نفوذپذیری پلهها در افت انرژی، وجه افقی و عمودی و بالادست پلهها توسط ورق آهنی نفوذ ناپذیر گردید. نتایج نشان داد غیر قابل نفوذ کردن پلهها باعث کاهش استهلاک انرژی جریان میشود. همچنین افزایش طول پله باعث افزایش میزان تغییرات انرژی و عدد فرود در بالادست شده است.
واژههای کلیدی: سرریز گابیونی پلکانی، استهلاک انرژی، جریان درونگذر، صفحات غیر قابل نفوذ.
-1 مقدمه
سنگ و سنگریزه به دلیل وزن زیاد برای پایداری سازهها، زبری برای افت و استهلاک انرژی و تخلخل برای زهکشی در مهندسی هیدرولیک کاربرد زیادی دارند. همچنین با توجه به هزینه کم ، دسترسی آسان در مناطق دور، تکنولوژی ساده و تطابق با طبیعت مورد توجه مهندسین طراح سازههای هیدرولیکی میباشند. سازههای گابیونی کاربردهای زیادی در ساخت سازههای آبی داشته و هم اکنون در بسیاری از کشورها به دلیل پایداری، ساخت ساده و مقاومت بالا در برابر فشار آب مورد استفاده قرار میگیرند. این سرریزها به دلیل نمای پلهای و همچنین تخلخل، استهلاک انرژی بالایی را دارا میباشند. با وجود این، انرژی آب در آنها کاملا مستهلک نشده و انرژی جنبشی اضافی در پاییندست سازه باعث ایجاد حفره میشود. پیدایش حفره به دلایل متعددی از جمله تشکیل پرش هیدرولیکی ناپایدار و انتقال آن به بیرون از حوضچه، همچنین وجود گردابها و جریانهای ثانویه روی بستر آبرفتی پاییندست سرریز میباشد. جریان درونگذر افقی و عمودی در پلههای سرریز توریسنگی نقش مهمی در استهلاک انرژی دارند. با توجه به اثرات متقابل جریانهای ورودی از بالادست و ریزشی روی پلهها بررسی استهلاک در حالت وجود یا عدم وجود جریان درونگذر بسیار حائز اهمیت است . همچنین غیرقابل نفوذ کردن صفحات در قسمت شیبدار از یک طرف باعث کاهش افت انرژی به دلیل غیر قابل نفوذشدن و از طرف دیگر باعث افزایش افت به دلیل حجم آب بیشتر میشود
1
ابراهیمی و همکاران (1384) آزمایشاتی روی 9 مدل سرریز گابیونی پلکانی با سه شیب متفاوت در وجه پاییندست انجام دادند. آنها آزمایشات را برای مدل با صفحات نفوذناپذیر نیز انجام داده و دریافتند در مدل نفوذناپذیر با شیب 1:3 به ازای کمترین دبی بیشترین استهلاک انرژی وجود دارد. همچنین دریافتند با افزایش تعداد پلهها استهلاک انرژی کاهش می-یابد.[1] حیدری ارجلو و همکاران (1387) با انجام آزمایشات متعدد به بررسی رفتار جریان بر روی سرریزهای پلکانی پرداخته به این نتیجه رسیدند که تاثیر تعداد پلکان در دبیهای مختلف متفاوت بوده و در دبیهای بالا، تاثیر افزایش پلکان بر میزان افت انرژی بیشتر میباشد. همچنین با افزایش شیب سرریز تبدیل جریان ریزشی به غیرریزشی سریعتر به وقوع میپیوندد و در پایان معادلهای برای شروع جریان غیرریزشی در سرریزهای پلکانی ارائه کردند.[2] عزیزی و همکاران (1387) با انجام آزمایشهایی روی سرریزهای پلکانی توریسنگی، در تخلخلهای مختلف نشان دادند که با کاهش تخلخل سنگها (کاهش جریان درونگذر) مقدار افت انرژی افزایش مییابد و رابطه افت انرژی، باتوجه به آن ارائه نمودند.[3] مفتاح هلقی و همکاران (1388) با انجام پژوهشی روی استهلاک انرژی در سرریز توریسنگی پلکانی با صفحات نفوذناپذیر دریافتند با افزایش ارتفاع صفحه، افزایش جریان روگذر را داریم. همچنین بیان کردند که با افزایش عمق اولیه (افزایش جریان روگذر) استهلاک انرژی افزایش مییابد.[4] سلماسی و همکاران (1389) آزمایشاتی در رابطه با استهلاک انرژی روی سرریزهای گابیونی پلکانی انجام دادند. نتایج آنها نشان داد افت انرژی در سرریز گابیونی که از وجه عمودی دارای صفحه نفوذناپذیر باشد به دلیل جریان معکوس، بیشتر از سرریزی است که در وجه افقی صفحه نفوذناپذیر داشته باشد. همچنین استفاده از صفحه نفوذناپذیر در وجوه مختلف پله باعث کاهش استهلاک انرژی میگردد. در دبیهای بالاتر نیز نقش این صفحه در کاهش استهلاک انرژی پدیدار میگردد.[5] آقامجیدی و کمان (1392) به بررسی انرژی روی سازههای گابیونی با استفاده از مدل عددی Flow3D پرداختند. نتایج نشان داد که در بازه دبیهای 0/004 و 0/009 و 0/01 مترمکعب بر ثانیه رژیم جریان بصورت ریزشی و از دبی 0/016 مترمکعب بر ثانیه به بالاتر رژیم جریان به صورت غیر ریزشی است و بیشترین استهلاک انرژی مربوط به دبی 0/016 با 79/5 درصد انرژی مستهلک شده است.[6] محمد (2010) با انتخاب دو مدل سرریز گابیونی مستطیلی و دو مدل سرریز بتنی با همان هندسه برای مقایسه، به بررسی روند انرژی و هیدرولیک جریان در سرریز گابیونی پرداخته و در نهایت روابطی برای پیشبینی دبی در شرایط آزاد و مستغرق ارائه داده و معادلات مورد استفاده برای محاسبه ضریب تخلیه بیان شدند.[7] وودریچ چانسون (2014) آزمایشات خود را روی سرریزی با شیب 26/6 درجه و 10پله 0/1 متری در دو حالت سرریز پلکانی معمولی سرریز پلکانی توریسنگی انجام دادند. مشاهدات نشان داد در رژیم غیر ریزشی جریان درونگذری از میان گابیونها وجود دارد و سرعتهای بالا که اتلاف انرژی کمتری دارند در پاییندست اندازهگیری شد و نتایج دو سرریز با هم مقایسه شد.[8] پژوهشهای انجام شده در این زمینه نشان دهندهی اهمیت بررسی استهلاک انرژی در سرریزهای پلکانی توریسنگی است. بررسیها نشان داد مطالعات انجامشده اغلب در حالت پلههای عمودی بوده و در حالت بدون صفحات نفوذناپذیر بوده و در حالت پله با قسمت افقی شیبدار با صفحات نفوذناپذیر مطالعهای انجام نشده است. در این پژوهش به بررسی اثر طول بر استهلاک انرژی در سرریز پلکانی توریسنگی با صفحهای نفوذناپذیر در بالادست و وجوه عمودی و افقی پرداخته شده است.
-2 مواد و روشها
-1-2 فلوم آزمایشگاهی
این پژوهش در آزمایشگاه هیدرولیک گروه مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه ساری انجام پذیرفت. فلوم آزمایشگاهی یک کانال با مقطع مستطیلی و از جنس پلکسیگلاس بوده که طول آن 12 متر، عرض 50 و ارتفاع آن 80 سانتیمتر است. شکل 1 نما از بالای فلوم را نشان میدهد. آب جریان یافته در کانال به داخل یک مخزن در انتهای آن منتقل میگردد که با استفاده از سرریز مثلثی نصب شده روی دیواره بتنی مخزن میتوان دبی را اندازه گرفت.
2
شکل :1 نما از بالای فلوم
-2-2 مدل فیزیکی
در این پژوهش از دو مدل فیزیکی با 3 پله و چارچوب چوبی به ضخامت 4 سانتیمتر و صفحات نفوذناپذیر آلومینیومی در بالادست و وجوه عمودی و افقی پلهها استفاده شد. در جدول 1 مشخصات مدلها ارایه شده است. در شکل 2 نمایی از مدل فیزیکی را نشان میدهد. سنگریزههای استفاده شده در مدل دارای قطری متوسط بین 1/9 و 2/54 سانتیمتر بوده که با توجه به توریهای موجود در بازار، توری فلزی با قطر چشمه 1/7 سانتیمتر برای مدل انتخاب شد.
جدول :1 مشخصات مدلهای فیزیکی ساخته شده
جدول :2 مشخصات مدلهای فیزیکی ساخته شده
