بخشی از مقاله
خلاصه
از صفحات مستغرق در دهانه آبگیرها به عنوان یک سازه هیدرولیکی کنترل کننده رسوب استفاده می شود. در مطالعه حاضر که در آزمایشگاه هیدرولیک بخش مهندسی آب دانشگاه شیراز انجام گرفت، عملکرد هیدرولیکی این صفحات در جریانهای زیربحرانی مورد مطالعه قرار گرفت و تأثیر تغییر پارامترهای تعداد ردیفهای عرضی صفحات مستغرق، زاویه نصب صفحات و نیز دبی جریان بر روی میزان آبگیری و پروفیل طولی سطح آب در کانال اصلی در مجاورت آبگیر جانبی با زاویه آبگیری 55 درجه دارای ورودی گرد شده که به عنوان بهترین زاویه آبگیری معرفی شده است بررسی گردید. سیستم صفحات مورد استفاده شامل چهار زاویه نصب 10، 20، 30 و 40 درجه با دو آرایش موازی سه تایی در عرض و دو تایی در عرض انتخاب و آزمایش ها تحت چهار دبی و به تعداد 72 آزمایش انجام گرفت. نتایج آزمایشات نشان می دهد که به دلیل زاویه برخورد صفحات با جریان ، پروفیل سطح آب در بالادست صفحات افزایش یافته و لذا در مقایسه با شرایط عدم نصب صفحات ، نسبت آبگیری افزایش می یابد. همچنین صفحات مستغرق با آرایش موازی سه تایی در عرض با زاویه نصب 30 درجه به عنوان آرایش بهینه انتخاب و معرفی می گردد.
کلمات کلیدی: آبگیر جانبی ، نسبت آبگیری ، صفحات مستغرق ، پروفیل طولی سطح آب ، ورودی گرد شده
-1 مقدمه
آبگیری از رودخانه ها به منظورهای مختلفی از جمله آبرسانی شهری ، مصرف کشاورزی و تولید برق انجام می شود. از نکات مهمی که در طراحی آبگیرهای جانبی مد نظر طراحان قرار می گیرد افزایش راندمان آبگیری و کنترل رسوب در دهانه آبگیرها می باشد. با توجه به اینکه همواره جریان آب همراه با بار رسوبی می باشد بنابراین به ناچار مقداری از رسوبات وارد آبگیر شده و در روند آبگیری مشکل ایجاد می کند. عدم توجه کافی به طراحی مناسب تأسیسات کنترل رسوب در آبگیرها می توان مشکلاتی از قبیل کاهش ظرفیت انتقال جریان در کانال آبگیر ، آسیب دیدن تأسیسات انتقال و نیروگاهی ، استهلاک پمپها و ایستگاههای پمپاژ و قطع آب جهت لایروبی کانالها و تحمیل هزینه های بالای لایروبی را انتظار داشت. صفحات مستغرق به عنوان یک سازه کم هزینه کنترل کننده رسوبات توجه زیادی را در دو دهه اخیر به خود معطوف داشته است. این صفحات می توانند علاوه بر دور کردن رسوبات بار بستر از دهانه آبگیر ، نقش بسیار مؤثری بر حفاظت سواحل رودخانه ها و افزایش راندمان آبگیری داشته باشند. مشخصه اصلی صفحات مستغرق این است که بر اثر اختلاف فشار دو طرف صفحه جریان ثانویه ای در اطراف آنها ایجاد شده و رسوبات بستر را به داخل رودخانه منتقل کرده و در نتیجه از ورود رسوبات به داخل آبگیر جلوگیری می کنند. این صفحات با ایجاد جریان چرخشی در پایین دست خود ضمن دور کردن جریان با بار رسوبی زیاد از مقابل آبگیر ، باعث هدایت جریان سطحی به داخل آبگیر می شود. ایده استفاده از صفحات مستغرق جریان با الهام از جریان حلزونی در پیچ رودخانه ها و به منظور دور کردن رسبات بار بستر برای اولین بار در سال 1947 توسط پاپلاپر در دانشکده علوم مسکو مطرح گردید و
با آزمایش مدل هیدرولیکی تأیید گردید که حتی با گذشت 3/5 سال از زمان نصب صفحات ، هیچگونه احتیاجی به لایروبی وجود نداشته و آبگیری بدون مشکل گزارش شده است. بارکدل و همکاران - 1999 - راهکارهای افزایش کارائی صفحات مستغرق در کنترل رسوب ورودی به آبگیر را مورد بررسی قرار دادند. ادگارد و وانگ - 1999 - محدودیتهای استفاده از صفحات مستغرق را در ورودی دهانه آبگیر به کمک مدل فیزیکی بررسی نمود. مارلیوسو سینها - 2000 - فیزیک جریان عبوری از یک صفحه مستغرق را با زاویه برخورد بالا بررسی نمودند. هدف آنها پیدا کردن زاویه بهینه برخورد صفحه با جریان بود به نحوی که تحت آن زاویه ، صفحه قویترین چرخش ثانویه را در جریان کانال اصلی ایجاد کند. شمس الدینی نژاد و کشاورزی - 2002 - تأثیر زوایای مختلف کارگذاری صفحات مستغرق در کنترل و کاهش جریانهای ثانویه در محل آبگیر جانبی 90 درجه را مورد بررسی قرار دادند. کرمی مقدم و کشاورزی - 1386 - تأثیر همزمان تغییر زاویه نصب آبگیر و گرد شدگی را بر میزان آبگیری بررسی کردند و زاویه 56 درجه را به عنوان بهترین زاویه آبگیری معرفی نمودند. زینی وند و شفاعی - 1386 - برای اولین بار از صفحات مستغرق در محل تلاقی رودخانه ها جهت کنترل چاله فرسایشی استفاده کرده و نحوه تغییر راندمان کارایی صفحات مستغرق به منظور کنترل آبشستگی را مورد بررسی قرار دادند. گوهری - 1387 - تأثیر صفحات مستغرق را در کنترل رسوب ورودی به آبگیر جانبی را بررسی کرد و به منظور هدایت جریان به سمت آبگیر و افزایش کارائی صفحات مستغرق از آبشکن استفاده کرده و اثر پارامترهای طول آبشکن و زوایای صفحات مستغرق را مطالعه کرد. هر چند ساخت سازه صفحات مستغرق در مجاورت دهانه آبگیر می تواند مشابه یک مانع نقش منفی در نسبت آبگیری داشته باشد ولی به نظر می رسد این صفحات با ایجاد جریان چرخشی قوی باعث تغییر در پروفیل طولی سطح آب در مجاورت آبگیر شده و نسبت آبگیری را تحت الشعاع قرار دهند لذا جهت بررسی این موضوع و با توجه به عدم سابقه مطالعات آزمایشگاهی در مورد عملکرد صفحات مستغرق بر روی نسبت آبگیری و نیز تأثیر این سازه روی پروفیل طولی سطح آب کانال اصلی در مجاورت آبگیر ، این تحقیق در آزمایشگاه هیدرولیک رسوب بخش مهندسی آب دانشگاه شیراز برای بهترین زاویه آبگیری 55 - درجه با ورودی گردگوشه - مورد مطالعه قرار گرفت.
-2 مواد و روش ها
مطابق شکل - 1 - وقتی یک صفحه در جهت جریان قرار می گیرد اختلاف فشار ایجاد شده در طرفین صفحه باعث می شود که مؤلفه سرعت سیال در امتداد سمت پرفشار رو به بالا و در سمت کم فشار رو به پایین حرکت نماید که نتیجه این عمل تشکیل چرخش افقی یا گردابی در انتهای صفحه می باشد که به صورت مارپیچ به طرف پایین دست حرکت کرده و میدان تنش برشی را تغییر می دهد. وقتی یک صفحه مستغرق در بستر رودخانه با یک زاویه کوچک با جهت جریان نصب شود رسوبات از قسمت مکشی صفحه برداشته شده و در قسمت فشاری صفحه ته نشین می شوند لذا با نصب ردیف صفحات طبق شکل - 2 - در بستر رودخانه می توان رسوبات را بر روی سطح بزرگتری توزیع کرد.
متغیرهای مؤثر بر میزان جریان انحرافی به آبگیر جانبی با بکار بردن صفحات مستغرق عبارتند از: عمق جریان در کانال اصلی - - ، سرعت جریان نزدیک شونده - - ، میزان جریان آبگیر - - ، دبی جریان در کانال اصلی - - ، شتاب ثقل - - ، عرض کانال اصلی - - ، عرض آبگیر - - ، شیب کانال اصلی - - ، زبری بستر - - ، زاویه آبگیر با کانال اصلی - - ، ارتفاع صفحات مستغرق - - ، طول صفحات مستغرق - - ، تعداد ردیف صفحات مستغرق - - ، زاویه نصب صفحات مستغرق - - ، فاصله طولی صفحات مستغرق از، هم - - ، فاصله عرضی صفحات مستغرق از هم - - ، فاصله عرضی اولین صفحه از دهانه آبگیر - - ، لزجت دینامیکی - - ، کشش سطحی - - وجرم حجمی - - . با انتخاب متغیرهای و
و به عنوان متغیرهای تکراری در روش باکینگهام رابطه بی بعد تحقیق به صورت رابطه - 1 - استخراج می شود:
که در این رابطه عدد فرود جریان در بالادست آبگیر، نسبت آبگیری و پارامتر جریان می باشد.
شکل -1 تغییرات جریان در اثر وجود یک صفحه مستغرق شکل -2 تغییرات جریان در اثر وجود سیستم صفحات
سیستم صفحات مستغرق مورد استفاده طبق شکل شماره - 3 - شامل آرایش موازی سه تایی در عرض و آرایش موازی دو تایی در عرض می باشد. جنس این صفحات از ورق گالوانیزه با ضخامت 1 میلی متر بوده و در 4 زاویه نصب 10 درجه ، 20 درجه ، 30 درجه و 40 درجه با جهت جریان در کانال اصلی مورد آزمایش قرار گرفتند. جدول شماره - 1 - مشخصات صفحات مستغرق استفاده شده در آزمایش را طبق پیشنهاد اویانگ - 2001 - نشان می دهد. به منظور بررسی تأثیر صفحات مستغرق بر میزان آبگیری و پروفیل طولی سطح آب در مجاورت آبگیرهای جانبی 55 درجه با ورودی گرد شده به شعاع 20 سانتیمتر اقدام به ساخت یک مدل آزمایشگاهی مطابق شکل های - 4 - و - 5 - و استفاده از سیستم صفحات مستغرق گردید. این سیستم دارای پارامترهای طراحی زیادی می باشد که در این تحقیق برای تعیین سیستم بهینه ای از صفحات ، دو پارمتر زاویه نصب صفحات و تعداد ردیفهای عرضی صفحات به عنوان متغیرهای مورد آزمایش مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشات در دو حالت بدون کنترل از پایین دست و با کنترل از پایین دست روی یک بستر صلب بتنی غیر فرسایشی بدون رسوب برای چهار دبی 10، 20، 30 و 40 لیتر بر ثانیه برای شرایط عدم نصب صفحات مستغرق ، صفحات مستغرق با آرایش موازی سه تایی در عرض و صفحات مستغرق با آرایش موازی دو تایی در عرض انجام گرفت.
جدول شماره -1 مشخصات صفحات مستغرق استفاده شده در آزمایش
-3 نتایج و بحث
عمق جریان در کانال اصلی از 0/5 متر بالا دست کانال آبگیری تا 1 متر بعد از آن و در راستای خط وسط کانال اصلی برداشت گردید. مقطع آبگیر با دو خط موازی بر روی نمودارهای پروفیل سطح آب مشخص شده است. با بررسی نمودار پروفیل سطح آب برداشت شده در در وسط کانال اصلی در شرایط عدم نصب صفحات مستغرق مطابق با شکل - 6 - بلافاصله بعد از انتهای آبگیر جانبی یک افزایش ناگهانی موضعی عمق جریان در پایین دست دهانه آبگیر قابل مشاهده بوده که تأثیر منفی بر نسبت آبگیری دارد. به دلیل وجود دهانه آبگیر ، بخشی از جریان سطحی به سمت آبگیر متمایل شده و قسمتی از آن وارد کانال آبگیر می شود و بخش دیگری با سرعت بالا با دیواره پایین دست کانال اصلی مجاور آبگیر برخورد کرده و باعث تلاطم و افزایش ناگهانی عمق جریان در این نقطه می گردد که گسترش این تلاطم در پایین دست و عرض مقطع جریان ، افزایش عمق در پروفیل طولی را به دنبال دارد. شکلهای - 7 - و - 8 - تغییرات پروفیل سطح آب را در راستای کانال اصلی برای دبی 20 لیتر بر ثانیه در شرایط نصب صفحات مستغرق نشان می دهد. با بررسی پروفیلهای طولی سطح آب در وسط کانال اصلی ملاحظه می شود که ساخت سازه صفحات مستغرق در کانال اصلی باعث ایجاد مقاومت در برابر حرکت جریان در کانال اصلی گردیده و این مقاومت افزایش عمق در مقطع عرضی جریان بلافاصله بالا دست صفحات مستغرق
