بخشی از مقاله
بررسی تاثیر سدهای کنترلی شکافدار ذوزنقهای بر کنترل جریانهای سیلابی
چکیده
استفاده از سدهایکنترلی یکی ازروشهای کنترل جریانهای سیلابی میباشد. در این تحقیق به منظور بررسی تاثیر پارامترهای هیدرولیکی بر میزان تلهاندازی رسوب و کنترل جریانهای سیلابی توسط سدهای کنترلی شکافدار ذوزنقهای شکل با زوایای مختلف ، از سه مدل فیزیکی با شکل شکاف ذوزنقهای برای سدکنترلی استفاده گردید. جهت بررسی پارامترهای هیدرولیکی موثر بر تلهاندازی رسوب، آزمایشات با سه شیب عبوری متفاوت و با توزیع رسوبات غیر یکنواخت در بستر کانال انجام گرفت. پس از تعیین پارامترهای بدون بعد موثر، با رسم نمودارهایی تاثیر این پارامترها بر میزان تلهاندازی رسوبات سیلابی مورد بررسی قرار گرفت. تجزیه و تحلیل این آزمایشها نشان میدهد که میزان تلهاندازی پشت سدکنترلی با افزایش شیب کانال، کاهش یافته و با افزایش ارتفاع سرریز سدکنترلی و کاهش زاویه استقرار سدکنترلی، افزایش مییابد.
کلمات کلیدی : سدکنترلی شکافدار ، جریان واریزهای ، تلهاندازی رسوبات ، تحلیل ابعادی
1
مقدمه
جریانهای سیلابی، مخلوطی از آب و رسوبات با غلظت زیاد میباشند . این جریانها وقتی که آب و مواد واریزهای وجود داشته و رودخانه دارای شیب مناسب باشد، به وجود میآیند. به طور معمول رودخانههایی با شیب تندتر از 10 درجه مستعد این نوع جریان میباشند. [1] این جریانات بدلیل غلظت زیاد دارای انرژی مخرب بسیار بالایی میباشند.کنترل جریانات سیلابی در خصوص مدیریت خسارات ناشی از وقوع سیلاب و همچنین حفظ منابع با ارزش آّب و خاک بسیارحائز اهمیت است. از طرفی عدم کنترل رسوبات سیلابی باعث ترسیب بیشتر آنها در رودخانهها و مخازن سدها میگردد که این امر از عمر مفید سدها می کاهد. استفاده از سدهای کنترلی در بالادست یکی از روشهای موثر در جهت کنترل این جریانات میباشد. این سدهای کوچک در عرض یک آبراهه به منظور کاهش سرعت جریان ، افزایش کیفیت آب، کنترل و تلهاندازی رسوبات ساخته میشود .[2] سدهای کنترلی به دو دسته کلی باز1 و بسته2 طبقه بندی میشوند. سدهای کنترلی مشبک3 و شکافدار4 از انواع سدهای کنترلی باز میباشند. در سالهای اخیر استفاده از سدهای کنترلی باز بدلیل راندمان و عمر مفید بالاتر افزایش یافته است. استفاده از سدهای کنترلی بسته به طور گسترده ای در در تایوان ، ژاپن و اروپا برای مقابله با اثرات جریانهای واریزهای استفاده میگردد. با این حال به دلیل ظرفیت اندک و نفوذپذیری پایین ، مخزن این نوع از سدها تحت دبیهای پایین جریان پر شده و در زمان وقوع جریانهای سیلابی نمیتوانند بصورت کارآمد این رسوبات را کنترل کنند. برای برطرفکردن این نقیصه سدهایکنترلی باز در کشورهایی مانند اتریش ، ژاپن و تایوان گسترش یافتهاند .[5] [4] [3] در شکل (1) دو نمونه از سدهای کنترلی باز نشان داده شده است.
سد کنترلی شبکه ای سد کنترلی شکاف دار
شکل -(1) نمونه هایی از سد های کنترلی باز.[6]
در این تحقیق سعی برآن است که با انجام آزمایشاتی به بررسی تاثیر پارامترهای موثر درمیزان تلهاندازی سدهای کنترلی شکافدار ذوزنقه-ای مایل پرداخته شود.
در زمینه سدهای کنترلی تحقیقات زیادی توسط محققان مختلف انجام گرفته است. آشیدا و تاکاهاشی (1986) مطالعاتی را به منظور بدست آوردن یک رابطه تجربی مناسب برای عرض شکاف در سدهای کنترلی شبکهای، جهت تلهاندازی موثر جریانات واریزهای انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که عرض شکاف مناسب برابر 1.5 تا 2 برابر بزرگترین قطر ذرات رسوب میباشد. [7] میزویاما و همکاران (1995) به این نتیجه رسیدند که کارایی سدهای کنترلی در تلهاندازی رسوبات علاوه بر نسبت عرض بازشدگی سد کنترلی به حداکثر قطر ذرات رسوب،
1 Open Type Check Dam 2 Closed Type Check Dam 3 Grid Type Check Dam 4 Slit Check Dam
به غلظت رسوبات و سرعت جریان واریزهای نیز بستگی دارد .[8] پانگ لین((2000 تحقیقاتی را در خصوص ارائه روشی برای طراحی سدهای کنترلی شکافدار انجام داده و رابطهای برای تخمین نرخ ذخیره رسوبات مخزن سدکنترلی پیشنهاد کرد. این روش بر پایه سه پارامتر اصلی نرخ بدون بعد خروجی رسوبات، غلظت رسوبات و نرخ ذخیرهسازی رسوبات شکل گرفته است .[6] حسنلی و همکاران (2008)، مطالعاتی را در خصوص بررسی تأثیر مکان قرارگیری سدهای کنترلی متخلخل بر روی تلهاندازی رسوبات ریزدانه انجام دادند .[9] در این مطالعه 5 رودخانه در حوزه درودزن در جنوب ایران به صورت موردی مورد بررسی قرار گرفت و نمونههایی از رسوبات به دامافتاده پشت این سدهای کنترلی و خاک دستنخورده مجاور آبراهه جمعآوری گردید. تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی نشان داد که نمونههای دستنخورده در مجاور آبراهه در مقایسه با رسوبات به دام افتاده دارای اندازه ذرات کوچکتری هستند و هرچه سدهای کنترلی نزدیکتر به پاییندست رودخانه قرار داشته باشند در تلهاندازی رسوبات کارآمدتر هستند. عابدینی و همکاران (2012)، با مطالعه برروی سدهای کنترلی بالادست رودخانهای در مالزی به بررسی تاثیر این سدهای کنترلی در مهار رسوبات پرداختند و به این نتیجه رسیدند که در مناطق مورد مطالعه میزان تلهاندازی به ترتیب از اولین سدکنترلی تا آخرین سدکنترلی به طور معناداری افزایش مییابد .[10] و همچنین مشاهده کردند که این سدها کارایی و تاثیر مناسبی بر روی تلهاندازی رسوبات بخصوص رسوبات درشتدانه دارند. غفاری و همکاران (1392)، مطالعاتی را در مورد بررسی اثر پارامترهای هیدرولیکی بر روی میزان تلهاندازی رسوبات انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که با افزایش دبی و شیب فلوم ازمیزان تلهاندازی سدهای کنترلی شکافدار گابیونی کاسته میشود .[11]
مواد و روشها
مدل فیزیکی از بخشهای مختلفی تشکیل شده است که شامل فلوم شیبپذیر1 ، پمپ2، فلومتر3 ،مخزن رسوب4 ،سبد تلهانداز5 ، سدکنترلی و جرثقیل دستی میباشد که در ذیل به شرح آنها پرداخته میشود:
فلوم شیب پذیر
فلوم ساخته شده در آزمایشگاه به طول 1.83 متر، عرض 0.15 متر و ارتفاع 0.3 متر از جنس پلکسیگلاس با ضخامت 6 میلیمتر میباشد. شیب آن متغیر و حداکثر 25 درجه است. نمای فلوم استفاده شده، در شکل (2) نشان داده شده است.
شکل .2 ساختار تاسیساتی فلوم ساخته شده
1 Elevated Flume 2 Pump 3 Flow meter
4 Sediment Reservoir 5 Tail Basket
3
سد کنترلی
سه مدل سدکنترلی شکافدار ذوزنقهای به ارتفاع 12 سانتیمتر، طول 15 سانتیمتر، با دهانه شکافهای 8،7و9 سانتیمتر در قسمت انتهایی و پاییندست فلوم و تحت زوایای استقرار مختلف نسبت به افق مورد آزمایش قرار گرفت. جنس مدلهای سدکنترلی ساخته شده از پلاگسیگلاس انتخاب گردید. این ماده از لحاظ مکانیکی دارای مقاومت مناسبی در برابر ضربه و فشار میباشد. مشخصات مدلهای مورد استفاده در اشکال (3) و (4) نشان داده شده است.
مدل 1 مدل 2 مدل 3
شکل (3) مدل های سدکنترلی مورد استفاده در آزمایشات
شکل (4) زوایای قرارگیری سدهای کنترلی در آزمایشات
پمپ
برای انجام آزمایشات از پمپ گریز از مرکزی با توان ایجاد دبی ماکزیمم 40 لیتر بر دقیقه استفاده شد.
فلومتر
جهت تنظیمات دبی جریان ورودی از پمپ، در مسیر جریان از فلومتر استفاده شد. این فلومتر قابلیت اندازهگیری دبی تا 35 لیتر بر دقیقه را دارد و خطای اندازهگیری آن حدود 5 درصد اندازهگیری شد. در این آزمایشات از دبی 20 لیتر بر دقیقه استفاده گردید.
مصالح مورد استفاده در بستر
رسوبات به کار رفته در این تحقیق از جنس ماسه سیلیسی به همراه شن با وزنمخصوص 2.6 گرم بر سانتیمترمکعب میباشد. منحنی دانهبندی برای رسوبات مورد استفاده جهت انجام آزمایشات در شکل (5) نشان داده شده است.
4
شکل -(5)نمودار دانهبندی رسوبات مورد استفاده در بستر
شرح آزمایش
برای انجام آزمایشات، ابتدا فلوم توسط جرثقیل دستی در شیبهای مورد نظر تنظیم گردید. در ایـن آزمایشـات از سـه شـیب 15، 20 و 25 درجه برای شبیهسازی جریان در رودخانه استفاده شده است. سپس دبی مورد نظر توسط دبیسنج تنظیم میگردد. در این تحقیق از یک نوع دبی20 لیتر بر دقیقه استفاده شده است. رسوبات با دانهبندی مورد نظر در بازهای معادل با 28 درصد طول فلوم و در فاصله 60 سانتیمتـری از انتهای فلوم قرار داده شدند. وزن تقریبی خشک رسوبات در این بازه، 8 کیلوگرم و ضخامت آنها در حدود 7 سانتیمتر در نظر گرفته شده است. جهت جلوگیری از حرکات رسوبات تحت شیب فلوم، قبل از انجام آزمایش در ابتدا و انتهای بازهی مورد نظر، دو دیواره قرار داده شـد. در انتهای فلوم، سدهای کنترلی، تحت زوایای استقرار 60 ،75 و 90 درجه قرار داده شدند. جریان آب توسط یـک شـیر تنظـیم مـیگردیـد. اندازهگیری زمان توسط زمانسنج آغاز و آب پس از عبور از آرامکننده جریان که در بالادست فلوم تعبیه شده است، جریان مییافت. قبـل از رسیدن جریان به رسوبات دو دیوارهای که در ابتدا و انتهای بازه رسوب قرار داده شده بود، برداشته و رسوبات پس از اشباع شدن بـه حالـت روان در آمده و به سمت پایین دست کانال و سدکنترلی منتقل میشدند. زمان انجام آزمایشات برابر20دقیقه در نظر گرفته شد.
در ادامه روند آزمایش ، رسوبات تلهاندازی شده پشت سدکنترلی به مدت 24 ساعت در گرمکن و دردمای 110 درجه سلسـیوس قـرار داده شد. و پس از خشک شدن ، وزن رسوبات خشک شده به دقت اندازه گیری شده و از تقسیمکردن وزن رسوبات خشک تلهانـدازی شـده بـه وزن خشک کل رسوبات ، ضریب تلهاندازی رسوبات به دست آمد. این مراحل برای کلیه مدلهـا، شـیب هـای انتخـابی و زوایـای اسـتقرار سدهای کنترلی تکرار شده است.
