بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی مکانیزمهاي جداسازي رسوب در ورودي آبگیرها
چکیده
بکارگیري تأسیسات رسوبگیري در دهانه هاي آبگیر، به منظور جداسازي رسوب، از مباحث کاربردي در پروژههاي آبگیري از مسیلها و رودخانه ها است. در این مقاله موضوع جداسازي رسوبات وارد شده به سیستمهاي آبگیري با استفاده از روشها و سازههاي مختلف از جمله حوضچه هاي رسوبگیر مستطیلی شکل متعارف، کانالهاي رسوبگیر زانویی و یا انحنادار، رسوبگیر گردابی - چرخشی، مجاري یا تونلهاي جداساز رسوب و رسوبگیر جانبی مورد بحث و بررسی قرار گرفته و قابلیتها، محدودیتها و معیارهاي طراحی هر یک از آنها بیان میشود. بر اساس نوع پروژهي آبگیري و بر مبناي دیدگاههاي کارشناسی، استفاده از یک سازه و یا ترکیبی از سازههاي اشاره شده میتواند مورد توجه قرار گیرد. در این خصوص انتخاب روش یا روشهاي مناسب، منوط به بررسی کامل و دقیق شرایط هیدرولیکی، مورفولوژیکی و رسوبی رودخانه و در نظر گرفتن ویژگیهاي فنی و اقتصادي طرح میباشد.
واژگان کلیدي: آبگیر، انتقال رسوب، رسوبگیر، رودخانه ، مسیل
مقدمه
درك و شناخت صحیح از نحوهي حمل و ترسیب مواد جامد در آبراهه اصلی، دهانه ي آبگیر و کانال انتقال، امکان ارائه طرحهاي مناسب و استفاده درست از سازههاي جداکننده ي رسوبات را فراهم میآورد. قسمتی از رسوبات حمل شده توسط رودخانه بهصورت همجوار با بستر، در اثر حرکاتی نظیر غلطش، لغزش و پرشهاي کوتاه همراه آب حرکت میکنند که به آن بار بستر میگویند و قسمت دیگري که بار معلق نامیده میشود، رسوباتی هستند که در بالاي بستر رودخانه به صورت معلق همراه با جریان آب در حرکت میباشند. طبیعت حمل رسوب تابع اندازهي ذرات، وزن مخصوص آنها و سرعت و شدت تلاطم جریان است. کنترل رسوبات در پروژههاي آبگیري به واسطه جلوگیري از ورود رسوبات به دهانه هاي آبگیر، جداسازي مواد رسوبی وارد شده به سیستم آبگیر، تخلیه مواد جامد ته نشین شده در سیستم انتقال و جلوگیري از زیرشویی و فرسایش سازههاي آبگیر از اهمیت بالایی برخوردار است Raudkivi) ، .(1993
بکارگیري تأسیسات رسوبگیري در دهانه هاي آبگیر، به منظور جداسازي رسوب، از مباحث کاربردي در پروژههاي آبگیري از مسیلها و رودخانه ها و انتقال آب میباشد. در این مقاله موضوع جداسازي رسوبات وارد شده به سیستم با استفاده از سازههاي مختلف مورد بحث قرار میگیرد.
مواد و روش ها
حوضچه رسوبگیر یکی از مهمترین و اساسیترین سازههاي جداسازي مواد جامد واردشده به سیستم آبگیر به شمار میرود. بطور کلی باید از ورود مواد رسوبی به داخل سیستمهاي آبی جلوگیري به عمل آورد. براي انجام این مهم آن قسمت از مواد جامد که امکان جلوگیري از ورود آنها به سازه وجود ندارد باید بلافاصله پس از ورود بوسیله حوضچه هاي رسوبگیر ته نشین شده و به خارج از سیستم هدایت شوند. در حوضچه هاي رسوبگیر، کل جریان (بارآبی+ بارجامد) وارد شده به سیستم، به آبروي عریضی که سرعت جریان در آن به اندازهاي است که ذرات معلق با قطر dt ته نشین میشوند هدایت میگردد dt) قطر کوچکترین ذرهاي است که در حوضچه رسوب میکند و مقدار آن از طرحی به طرح دیگر متفاوت است). از انتهاي دیگر این آبروي عریض، جریان آب حاوي رسوب کمتر به کانال انتقال وارد میشود.
حوضچه هاي رسوبگیر از نقطه نظر قطر کوچکترین دانهي قابل تهنشینی به دو دستهي حوضچه هاي رسوبگیر درشت دانه و حوضچه هاي رسوبگیر ریزدانه تقسیم میگردد. در این مقاله با توجه به اهمیت رسوبات بار بستر تنها ضوابط طراحی حوضچه هاي رسوبگیر درشت دانه ارائه میشود. شکل((1 حالتهاي کلی این نوع رسوبگیر را نمایش میدهد.
شکل((1 حالتهاي کلی حوضچه هاي رسوبگیر: (a)
رسوبگیري قبل از کانال انتقال،((b مخزن رسوبگیر مستطیلی، (c) مخزن رسوبگیر دایره اي
Featherstone) و Nalluri، (1988 حوضچه هاي رسوبگیر را میتوان به دو روش شستشوي هیدرولیکی و یا لایروبی به فواصل هفتگی یا چند روز کمتر یا بیشتر، از مواد ته نشین شده تخلیه کرد. انتخاب روش تخلیه رسوبات بر اساس هزینه صورت میگیرد.
در سرشاخههاي رودخانه هاي کوهستانی که درصد کمی از رسوبات، ریزدانه هستند میتوان حوضچه هاي رسوبگیر درشت دانه را براي ته نشینی دانههاي بزرگتر از 0/25 میلی متر طراحی نمود. در این حالت طول ماکزیمم حوضچه هاي رسوبگیر از رابطه زیر برآورد میشود
(کیا، .(1364
که در آن:
=V سرعت متوسط جریان در حوضچه رسوبگیر((m/sec
=H عمق حوضچه ((m
=Wmin سرعت ته نشینی حداقل، مخصوص کوچکترین دانهي ته نشین شده (m/sec)
=a ضریبی برابر با 1/2 الی 1/5
مقدار a بر اساس تغییرات عدد رینولدز (Re) و نسبت سرعت متوسط جریان در حوضچه به سرعت سقوط ذرات (V/W) در شکل (2) نشان داده شده است. حداکثرسرعت جریان آب در داخل حوضچه رسوبگیر را ما بین 0/16 تا 0/5 متر در ثانیه انتخاب میکنند. شیب حوضچه رسوبگیر را در امتداد طولی، به طرف کانال تخلیه کننده رسوبات، در نصف قسمت بالا دست 1/4 و از نصف به بعد 1/1 در نظر میگیرند.
شیب حوضچه در مقطع عرضی به طرف شیارهاي تخلیه بین 1/4 تا 1/7 منظور میشود.
شکل((2 مقدار a بر اساس تغییرات عدد رینولدز (کیا،(1364
براي جداسازي رسوبات از کانال رسوبگیر زانویی نیز استفاده میشود.
جداسازي رسوب با استفاده از کانالهاي انحنادار بر این اصل استوار است که رسوبات در نزدیکی کف، به طرف داخل و قسمت مقعر کانال کشیده میشوند و دریچههاي آبگیر در طرف محدب کانال قرار داده میشود و در نتیجه رسوبات ورودي به آبگیر کاهش مییابد
(جعفرزاده،.(1371 این کانالها با ایجاد انحنا در محلهاي مناسب از رودخانه و در جلوي آبگیر به نحوي ساخته میشوند که اولا باعث بوجود آمدن انحناء مناسب در رودخانه شده بطوري که جریان صافتري به آبگیر منتقل شود، ثانیا در اثر وجود انحنا موجبات رانده شدن رسوبات در جهت مخالف آبگیر را فراهم نماید. قابلذکر است که آبگیري و شستشوي رسوبات در کانال رسوبگیر زانویی بطور همزمان انجام خواهد شد و باید آب کافی براي این منظور وجود داشته باشد. کانال رسوبگیر زانویی به دو صورت مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. در نوع اول مسیر جریان از کانال زانویی تا دریچههاي کنترل آبگیر،نسبتاًکوتاه میباشد (شکل .(3 اما در روش دوم جریان آب در بین کانال زانویی و دریچههاي آبگیر از روي یک آستانه ي جداکننده ي جریان عبور میکند، که مسیرينسبتاً طولانی دارد (شکل .(4
به دلیل آنکه در کانال زانویی مقدار جریان با نزدیک شدن به دریچه تخلیه رسوب کمترمیشود، لذا لازم است عرض کانال به تدریج کم شود تا سرعت در حدي باشد که اولا موجب تهنشین شدن رسوبات نشده و در عین حال موجب متلاطم شدن جریان و به حالت تعلیق درآمدن رسوبات نیز نگردد. از مزایاي این کانالها میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
الف- در صورتی که شعاع انحناء کانال رسوبگیر زیاد باشد خطوط جریان به آرامی از انحناء ایجاد شده تبعیت میکند و جریان هاي چرخشی بوجود نمیآید. در این شرایط سرعت جریان با شعاع انحناء در هر نقطه از کانال نسبت عکس دارد.
ب – مسیر خطوط سرعت ماکزیمم به طرف داخل انحناء بوده و موجب رانده شدن جریان با غلظت زیاد به طرف دریچههاي تخلیه رسوب میشود.
فاکتورهایی که در طراحی کانالهاي رسوبگیر زانویی مؤثرند را میتوان به شرح زیر خلاصه نمود:
-1 دبی ورودي به تأسیسات آبگیر (این دبی یکسوم تا یکپنجم دبی کانال اصلی Q میباشد.)
-2 عرض ورودي کانال زانویی بر اساس عرض کانال اصلی انتخاب میشود. بطوري که بر اساس روش رژیم بستر متحرك، رابطه ي بر حسب متر مکعب بر ثانیه) به عنوان معیار انتخاب عرض ورودي (بر حسب متر) پیشنهاد شده است و کانال زانویی در ابتدا از عرض فوق شروع شده و به تدریج به عرض مورد نظر در مجراي تخلیه رسوب میرسد.
-3 سطح آب در کانال زانویی بر اساس ارتفاع آبگیري تعیین میشود.
در صورتی که سطح آب در رودخانه در ارتفاع مورد نظر نباشد میتوان با ساختن تأسیسات مناسب در عرض رودخانه سطح آب مورد نظر را در کانال زانویی تأمین نمود.
-4 جریان مجراي تخلیه رسوب، قسمتی از دبی کانال محسوب شده و بستگی به قطر ذرات و غلظت آنها دارد. این مقدار معمولا 30 تا 50 درصد دبی کانال در نظر گرفته میشود.
-5 پیشنهاد میشود نسبت شعاع محور مرکزي کانال به عرض کانال زانویی در وسط آن (مسیر طولی) 3 به 1 تا 5 به 1 باشد.
-6 پیشنهاد میشود عدد فرود در کانال زانویی، در بالادست محل ورود آب به آبگیر حدود 0/5 تا0/8 باشد.
-7 وضعیت پایین دست مجراي تخلیه رسوب در رودخانه به نحوي باشد که در هیچ زمانی امکان مسدود شدن کانال تخلیه رسوب وجود نداشته باشد.
-8 نیروي برشی بحرانی اعمال شده به ذرات رسوبی، در محل ورودي کانال زانویی حدود 0/1 کیلوگرم بر مترمربع باشد.
-9 سرعت جریان با توجه به نیروي برشی بحرانی اعمال شده به ذرات رسوب محاسبه میشود. چنانچه در مقطع عرضی کانال زانویی سرعت متوسط (V) در خط قائم و در هر شعاع r، به صورت نسبتی از r فرض میشود در نتیجه توزیع سرعت متوسط به صورت لگاریتمی در آمده و از رابطه زیر بدست میآید:
که در آن:
= d عمق جریان
= Vi سرعت متوسط در نزدیکی دیوار داخلی به شعاع (ri) و دیوار خارجی به شعاع((ro
یکی دیگر از روشهاي رسوبگیري استفاده از رسوبگیر ورتکس
(گردابی- چرخشی) میباشد. این نوع رسوبگیر در مواقعی که غلظت بار کف زیاد است جهت شستشوي مداوم رسوبات بهکار میرود و قسمت اصلی آن از لوله یا مجراي افقی تشکیل میشود که در داخل و زیر کف کانال به صورت مورب و با زاویه تقریبا 45 درجه نسبت به محور کانال تعبیه شده و رسوبات نزدیک کف کانال را گرفته و آنها را همراه با آبی که مدام در آن جریان دارد، به خارج از کانال یا به یک حوضچه رسوبگیر و یا رودخانه تخلیه مینماید (جعفرزاده،.(1371
رسوبگیر ورتکس در مواقعی که بار معلق کم و بار کف قابل ملاحظه است، کارآیی بالایی خواهد داشت. قطر این مجاري با توجه به نوع رسوبات ممکن است از 10 تا 25 سانتیمتر متغیر باشد. در شکل (5)
مشخصات فنی یک نوع رسوبگیر ورتکس نشان داده شده است(کیا،.(1364
شکل((3 نمونهاي از یک کانال رسوبگیر زانویی بدون آستانه ي جداکننده ي جریان سطحی
ارتفاع نصب رسوبگیر ورتکس در عملکرد آن مؤثر است. این ارتفاع نسبت به عدد فرود تعیین میشود. بطور کلی براي رسوبات ریزدانه، عدد فرودکمتر، ضریب رسوبگیري بالایی را بدست میدهد. در صورتی که براي رسوبات درشت دانه عددفرود را میتوان زیادتر در نظر گرفت. یکی از مزایاي زیاد بودن عدد فرود که موجب بالا رفتن ارتفاع رسوبگیر نسبت به کف کانال میشود، این است که امکان برگشت آب در رسوبگیر ورتکس در مواقعی که سطح آب پایین دست رودخانه بالا باشد را کاهش میدهد. بهتر است رسوبگیر ورتکس در نزدیکی تأسیسات آبگیري و یا در فاصله کافی در پایین دست تأسیسات (در جایی که توزیع رسوبات به حالت تعادل رسیده است) قرار داده شود. براي اطمینان از بوجود آمدن حالت تعادل در توزیع رسوبات در طول کانال پیشنهاد میشود فاصله رسوبگیر از تأسیسات آبگیر (X) از مقدار زیر کمتر نباشد.
