بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی طول جت پرتابی در پرتابکننده جامی (مطالعه موردی: سد مخزنی بالارود)
چکیده
پرتابکننده جامی سدهای بلند، با بهرهگیری از سرعت زیاد جریان ورودی به جام، قادر است جریان سیلاب خروجی از سرریز را بصورت یک جت پرتابی آزاد به نحوی منحرف نماید که در فاصله مطمئنی دور از سرریز و سد، در حوضچه استغراق و یا بستر رودخانه فرو افتد. هدف از این تحقیق بررسی طول جت پرتابی از لبه پرتابکننده تا محل برخورد با بستر پایین دست بر روی پرتابکننده جامی سد بالارود اندیمشک میباشد. مقدار و محل وقوع طول جت پرتابه با توجه به نتایج بدست آمده از روشهای USBR(0.85)، USBR(0.9)، USACE و کاواکامی با نتایج واقعی حاصل از مدل آزمایشگاهی، مورد مقایسه و بررسی قرار گرفته است. مقایسه نتایج بدست آمده نشان میدهد که روابط USBR، USACE و کاواکامی با اطلاعات اندازهگیری شده در سرریز سد بالارود مطابقت کامل نداشته ولی رابطه کاواکامی مطابقت نزدیکتری با نتایج نسبت به دیگر روشها دارد. روش کاواکامی کمترین میزان درصد اختلاف را در برآورد طول پرتابه 22) درصد) در مقایسه با مقادیر حاصل از اندازهگیری مدل آزمایشگاهی دارد و بیشترین اختلاف مربوط به روش USACE میباشد.
کلمات کلیدی: پرتابکننده جامی، مدل فیزیکی، سرریز سد بالارود، اندیمشک
مقدمه
در سالهای اخیر با افزایش روند رو به رشد احداث سدهای بلند و بالا رفتن استاندارد ایمنی سدها، علاقه عمومی مهندسین سازه های هیدرولیکی نسبت به طراحی یک سیستم مستهلک کننده انرژی اقتصادی و مطمئن در پایانه مجاری اصلی تخلیه سیلاب سدهای بلند، افزایش یافته است. استفاده از جتهای پرتابی آزاد در سازههای پرتاب کننده جامی همراه با حوضچه استغراق وابسته، در صورت برقراری شرایط زمین شناسی و توپوگرافی مناسب، مزایای اقتصادی و ایمنی قابل ملاحظهای در مقایسه با سایر انواع سازههای استهلاک انرژی دارد. پرتاب کننده جامی سدهای بلند، با بهرهگیری از سرعت زیاد جریان ورودی به جام، قادر است جریان سیلاب خروجی از سرریز را بصورت یک جت پرتابی آزاد به نحوی منحرف نماید که در فاصله مطمئنی دور از سرریز و سد، در حوضچه استغراق و یا بستر رودخانه فرو افتد. سادهترین نوع جام، به شکل یک قطاع پوسته استوانهای و یا در مقطع طولی، به صورت یک دایره است که در بالادست، مماس بر کف مجرای انتقال دهنده سیلاب (کانال تندآب و یا تونل) میباشد. عمدهترین پارامترهای هندسی مشخصه جام عبارتند از: ارتفاع قرارگیری جام نسبت به سد و سطح پایاب (تراز کف جام)، شعاع جام، حداقل لبه جام نسبت به کف جام، زاویه پرتاب در انتهای لبه جام و جانمایی پلان (خاتسوریا، .(2005 شعاع جام، در واقع شعاع انحناء منحنی مقطع طولی جام میباشد. شعاع جام باید به قدر کافی بزرگ در نظر گرفته شود تا بتواند به نحو موًثری جریان را در امتداد انحنای جام منحرف نماید و انحنای مورد نظر را هم در جت خروجی ایجاد نماید و جریان فضای کافی برای تغییر مسیر داشته باشد . در طراحی، حداقل شعاع مجاز برای جام مطلوب است زیرا شعاعهای بزرگتر، سازه را طویلتر نموده و موجب افزایش اختلاف ارتفاع بین کف و لبه جام میشود که این امر در دبیهای کم تولید اشکال میکند چون ممکن است در قسمت تقعر آن، در حوضچه جهش هیدرولیکی تشکیل گردد. در جامهای با شعاع کوچک، جت پرتابی آزاد به موقع تشکیل میگردد. شعاع های خیلی کوچک، منجر به پرش داخلی جریان درون جام میشود که این خود موجب ناپایداری جریان و ارتعاشات سازهای میگردد. اصولاً لبه جام میتواند در هر ارتفاعی بالاتر از تراز پایاب قرار داشته باشد ولی در هر حال باید در حداقل ارتفاع ممکن قرار گیرد زیرا در ترازهای پایین تر، سرعت جت خروجی بیشتر خواهد بود و پس از پرتاب در هوا مسافت بیشتری را خواهد پیمود. در نتیجه استهلاک انرژی در اثر اصطکاک با هوا بیشتر خواهد شد.در تندآبها، جت پرتابی آزاد زمانی تشکیل میشود که انرژی جنبشی جریان در جام به اندازهای رسیده باشد که آب جمع شده در جام را به بیرون پرتاب نماید اما قبل از این حد، که به آن آستانه جارو کردن یا پرتاب کردن و دبی نظیر این حد آستانه را دبی پارو شدن میگویند، یک جهش هیدرولیکی در جام تشکیل میشود و لبه جام بصورت یک سرریز روگذر عمل مینماید. با کاهش تدریجی سیلاب خروجی از پرتاب کننده جامی، طول جت پرتابی به تدریج کاهش یافته و در صورتی که دبی خروجی از حد آستانه جارو شدن جریان به داخل جام کمتر شود، جهش هیدرولیکی بار دیگر در جام تشکیل میگردد . همانگونه که انتظار میرود، دبی آستانه جارو شدن جریان به بیرون از جام، بزرگتر از دبی آستانه جارو شدن به درون جام میباشد. سازه پرتاب کننده جامی در سدهای بلند از اهمیت خاصی برخوردار است زیرا بروز آسیب در این سازه و تداوم آن میتواند در نهایت منجر به ایجاد صدمات جبران ناپذیری در بدنه تندآب و یا حتی خود سد گردد و یا اینکه ترمیم آنها غالبا پرهزینه خواهد بود (برای مثال عواقب ترمیم سازه پرتاب کننده جامی در پایانه سرریز سد شهید عباسپور ایران به ارتفاع 200 متر بعد از سال 1993 میلادی و خرابی ایجاد شده در سازه پرتاب کننده جامی سد گری در ونزوئلا 1970) میلادی).گروه مهندسی ارتش آمریکا (2005) با استفاده از مدل سرریز سد جاندی بر روی رودخانه کلمبیا در آمریکا (سد روزجوهن) که با مقیاس1:80 ساخته شده بود به بررسی عواملی همچون پروفیل سطح آب بالادست، آبگذر سرریز با ترکیب دریچهها و تعیین محل نیروگاه پرداخت. مقادیر دبیها و فشارها نشان میدهد که مدل فیزیکی و عددی در ارائه نتایج با هم مطابقت قابل قبولی دارند.امیدواری نیا و همکاران (1391) در تحقیق خود تحت عنوان "مقایسه اثر فلیپ باکتهای جامی و مثلثی بر طول پرش"، نوع جدیدی از سرریزها که دارای ماهیتی مشابه سرریزهای جامی شکل ولی با هندسه متفاوت هستند را مورد بررسی قرار دادند. ایشان در مطالعه خود عملکرد هیدرولیکی سرریز مثلثی شکل به جای شکل دایرهای معمول آن در خصوص میزان کاهش طول پرش هیدرولیکی و به طبع آن کاهش طول حوضچه آرامش که از نظر اقتصادی نیز به صرفه است را مورد مقایسه قرار دادند.بابازاده و همکاران (1391) در تحقیق خود با عنوان "بررسی عددی الگوی جریان بر روی سرریز و پرتاب کننده جامی شکل سد گاوشان" با استفاده از نرم افزار Flow3D و مدل آشفتگی آرنجی به شبیه سازی جریان بر روی سرریز سد گاوشان پرداختند. ایشان برای صحتسنجی پارامترهای حاصل از تحلیل عددی از نتایج آزمایشگاهی مدل هیدرولیکی سرریز استفاده نمودند و با مقایسه نتایج، مشاهده شد که تفاوت چندانی بین نتایج بدست آمده و دادههای تجربی وجود ندارد.زاویه پروفیل طولی کف در لبه جام نسبت به افق توأم با سرعت جریان در لبه جام، منحنی مسیر جت پرتابی و نیز مشخصههای هیدرولیکی عمومی در محوطه برخورد جت با پایاب را تعیین میکند. در مراجع مختلف زاویه مناسب لبه جام نسبت به افق بین 15 تا 45 درجه توصیه شده است. هر چند در تئوری پرتابه، زاویه پرتاب 45 درجه، بیشترین برد پرتابه را ایجاد میکند، اما پرتاب جریان از پرتاب کنندههای جامی با پرتاب یک پرتابه در خلاء کاملاً مطابقت ندارد، زیرا در مقطع فواره پرتاب شده توزیع سرعت وجود دارد و علاوه بر آن اصطکاک با هوا نیز قابل ملاحظه است (خاتسوریا، . (2005هدف از این تحقیق بررسی طول جت پرتابی از لبه پرتاب کننده تا محل برخورد با بستر پایین دست بر روی مدل فیزیکی پرتاب-کننده جامی سد بالارود میباشد. طول جت پرتابی در دبیهای مختلف یکسان نبوده و با افزایش دبی، طول جت خروجی از پرتاب کننده بیشتر خواهد بود، یکی از مسائل مهم در تعیین ابعاد حوضچه استغراق در پایین دست پرتاب کننده جامی، طول جت خروجی از پرتاب کننده میباشد که بر اساس آن میتوان ناحیه سقوط جت از پرتابه را مشخص و بهترین مکان برای حوضچه استغراق را معین نمود . این عمل باعث میشود که در پایین دست جت، فرسایش و آبشستگی رخ ندهد و یا بسیار کم باشد. برخی از مهمترین فرمولهای محاسبه طول جت پرتابه در جدول 1 ارائه شده است. روابط مورد اشاره در جدول مذکور همگی جزء روشهای معتبر و قابل استنادی هستند که توسط
مؤسسات و افراد صاحب نامی، معرفی و مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفتهاند. همچنین این روابط مورد تأیید کمیته ملی سدهای بزرگ جهان میباشند و در بسیاری از طرحهای بزرگ سد سازی در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفتهاند. اما نکته قابل تأمل این است که متناسب با شرایط محلی هر سایت، هر یک از این روابط از حیث اعتبار در درجه بالاتری قرار خواهند گرفت. به عنوان مثال ممکن است برای سدی در آمریکا رابطه USBR پاسخ مناسبتری نسبت به رابطه کاواکامی ارائه دهد و یا برعکس برای سدی با ارتفاع 200 متر پاسخ رابطه کاواکامی نسبت به USBR با واقعیت نزدیکتر باشد. بطور کلی میتوان گفت که پارامترهای تأثیرگذار در پاسخ روابط فوق، شامل مشخصههای سد از جمله ارتفاع سد، خصوصیات سرریز و جام پرش و همچنین مشخصههای سایت از جمله سرعت و جهت وزش باد، دبی اشل پایاب و غیره میباشد. در این تحقیق مقدار و محل وقوع طول جت پرتابه با توجه به نتایج بدست آمده از روشهای USBR، گروه مهندسی ارتش آمریکا (USACE) و کاواکامی، با نتایج واقعی مورد مقایسه و بررسی قرار گرفته است.
جدول -1 فرمولهای مورد استفاده برای محاسبه طول جت پرتابه
مواد و روشها
سد مخزنی بالارود بر روی رودخانه بالارود واقع شده است. رودخانه بالارود یکی از شاخههای رودخانه دز میباشد که در بخش الوار گرمسیری (حسینه علیا) و بخش مرکزی اندیمشک قرار داشته و از دامنههای رشته کوههای گلاهور واقع در 58 کیلومتری شمال اندیمشک سرچشمه میگیرد. طول این رودخانه 100 کیلومتر بوده و حوضه آبریز آن منطقهای به وسعت 1200 کیلومتر مربع را در بر میگیرد. سیستم تخلیه سیلاب سد بالارود برای سیلاب 10000 ساله طراحی و برای حداکثر سیلاب محتمل (PMF) کنترل گردیده است. ابعاد و رقوم کف کانال تقرب سرریز به نحوی انتخاب شده است که سرعت جریان در سیلاب طرح در این کانال از حدود 2/4 متر بر ثانیه تجاوز نکند. رقوم کف کانال تقرب 317 متر از سطح دریا می باشد. پروفیل اوجی بر اساس استاندارد USBR و برای سیلاب با دوره برگشت 10000 سال طراحی و برای PMF کنترل شده است. همچنین ارتفاع دیوارههای کانال تند آب برای سیلاب با دوره بازگشت 10000 ساله و ارتفاع آزاد توصیه شده USBR طراحی و با ارتفاع آب نظیر PMF بدون ارتفاع آزاد کنترل شده است. با توجه به هدف کنترل سیلاب، مناسبترین سیستم دفع سیلاب، سرریز دریچهداری به طول 20 متر که در تکیهگاه چپ بدنه سد قرار گرفته است، در نظر گرفته شد. تاج سرریز در رقوم 320 متر از سطح دریا طرح شده و دارای 3 دریچه به طول 6/7 متر و ارتفاع 12 متر میباشد. فاصله بین محور سرریز تا دیوار ابتدایی توسط دو قوس به شعاعهای 5/7 و 2/5 متر به همدیگر متصل میگردد. از محور سرریز به پایین، از تراز 320متر از سطح دریا منحنی با معادله طراحی شده است. جریان عبوری از سرریز توسط یک کانال بتنی مستطیل شکل به پرتابه جامی شکل هدایت میشود. ابتدای شوت به عرض 27 متر با یک تبدیل به طول افقی 28 متر به عرض 20 متر تبدیل میگردد. کانال تند آب از رقوم 316/05 متر از سطح دریا شروع شده و در طول افقی249/4 متر با شیب 0/028 به رقوم 309/06 متر ازسطح دریا میرسد. در این نقطه شیب کانال با قوسی به معادله به شیب 0/112 تبدیل میشود. به منظور ایجاد الگوی مناسب جریان روی سرریز، در دو طرف ورودی کانال تقرب از دو دیواره هدایت جریان به طول 24 متر استفاده شده است. ارتفاع دیواره کانال از ابتدای شوت 12/1 متر و در محل تغییر شیب معادل 10/1 متر میباشد. جهت استهلاک انرژی جریان عبوری از سرریز، در انتهای تندآب، پرتاب کننده طرح گردیده است.مدل با مقیاس1:40 ساخته و در آزمایشگاه مدلهای فیزیکی دانشکده علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز نصب گردید و شامل قسمتهای ذیل می باشد. طول مخزن در مدل 4 متر و نیز عرض آن 3/5 متر می باشد. همچنین ارتفاع مخزن در مدل 2 متر است. بخشی از محدوده اجرایی مخزن نیز در مدل موجود است. به ازای مقیاس1:40 مدل هیدرولیکی، حداقل عمق آب برای اجتناب از اثرات کشش سطحی و موئینگی در مدل 2 سانتیمتر و حداقل ارتفاع آب روی سرریز حدود 5 سانتیمتر در نظر گرفته شود جریاندر مدل کاملاً آشفته باشد.حداکثر دبی سیلاب عبوری از سرریز دریچه دار معادل 3598/9 متر مکعب در ثانیه معادل 379 لیتر بر ثانیه در مدل برآورد گردیده است. سطح مشرف به سمت چپ بدنه سد، آستانه سرریز و تراز 317 متر بستر کانال ورودی جانمایی گردیده است. کانال ورودی در مدل با پلاکسی گلاس و دیوار هادی دو طرف نیز از همین جنس اجرا شده است. تراز آستانه سرریز دریچه دار 320 متر، عرض ناخالص 27 متر، روی سرریز دو پایه هر کدام به ضخامت 3/5 متر، عرض سرریز را به سه دهانه به عرض مساوی 6/67 متر تقسیم مینماید. سطح بالادست سرریز دارای سطحی با زاویه 45 درجه میباشد. تمام اجزاء سرریز از جنس شفاف پلگسی گلاس و دو پایه از جنس چوب با پوشش رنگ روغنی اجرا گردید. پس از خروج آب از پرتاب کننده، قسمتی از مدل جهت خروج آب
