بخشی از مقاله
چکیده
سرریزها در کارهای مهندسی عمران مورد استفادهی فراوان دارند. برخی موارد برای اطمینان از اینکه آب به طور سطح صاف از روی سرریز عبور کند از کانال ورودی جریان به سرریز استفاده میشود. در این تحقیق یک مدل آزمایشگاهی سرریز سد از نوع اوجی با پلان قوسی و دیوارههای جانبی همگرا، مورد آزمایش قرار گرفت و برای بررسی اثر کانال ورودی از کانالهایی با عرض 46/2، 52، 58 و 70 سانتیمتر استفاده شد. با افزایش 52 درصد عرض کانال ورودی جریان نسبت به عرض کانال اولیه - ba=46/2 cm - ، باعث کاهش 11 درصدی هد روی سرریز و افزایش 22 درصدی ضریب دبی میگردد.
.1 مقدمه
هنگامی که ارتفاع سطح آب دریاچهی پشت سد به حداکثر مقدار خود برسد و در همین زمان سیل دیگری اتفاق بیافتد، بایستی وسیلهای در سد تعبیه شده باشد که بتواند این آب اضافی را از سد خارج کند. ساختمان هیدرولیکی را که بدین منظور، یعنی دفع آب اضافی به کار میرود سرریز مینامند. به عبارت دیگر یکی از کاربردهای مهم سرریزها، کنترل ارتفاع و حجم آب دریاچهی پشت سد است که در این حالت شکل و ابعاد سرریز تابعی از موقعیت جغرافیایی و هیدرولوژیکی منطقه خواهد بود در برخی از موارد به دلیل محدودیتهای اجرایی و طراحی، استفاده از سرریزهای کنگرهای1، سرریزهای جانبی2 و همچنین طراحی سرریزهای با انحنا در پلان اجتنابناپذیر است. معمولترین و در عین حال ارزانترین سرریز که بتواند مقدار زیادی آب را از روی خود عبور دهد، سرریز اوجی میباشد. این سرریزها بر اساس محاسبات هیدرولیکی مربوط به سرریزهای با تاج مدور به گونهای طراحی میشوند که پروفیل تاج و جلو ساختمان آنها منطبق بر سطح زیرین آب لبریز شده از یک سرریز لبهتیز مستطیلی با همان مشخصات مورد نیاز در بالادست سرریز اصلی میباشد . هدف این تحقیق این است که کانال ورودی جریان به سرریز اوجی با قوس در پلان و با دیوارههای جانبی همگرا چه تأثیری بر روی ضریب دبی سرریز دارد. یک مدل فیزیکی از سرریز اوجی با قوس در پلان و با دیواره همگرا با چهار کانال ورودی با عرض 46/2، 52، 58 و 70 سانتیمتر در پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری تهران مورد آزمایش قرار گرفت و نتایج آزمایش، در قالب یک سری گراف نمایش داده میشود.
.2 مرور بر مطالعات گذشته
رفتارجریان بر روی سرریزها بهطورگستردهای از اوایل 1950 توسط سازمان مهندسین ارتش آمریکا - USACE - انجام شد .[1] سویج و جانسون - 2001 - ، یک مطالعه برای مقایسه پارامترهای جریان در یک سرریز اوجی استاندارد بدون در نظر گرفتن پایاب، با استفاده از مدل فیزیکی، مدل عددی و سوابق پژوهشی موجود انجام دادند. مدل فیزیکی سرریز در فلومی با اندازه 1/83 متر، 12 متر طول و 1/22 متر عمق نصب شد. فشار پیزومتریک روی سرریز اندازهگیری شد. همچنین یک مدل عددی از سرریز با استفاده از نرم افزار Flow-3D ساخته شد و پارامترهای جریان سرعت و فشار محاسبه و درنهایت یک هماهنگی قابل قبول بین مدلهای فیزیکی و عددی مشاهده شد .[6] چاتیلا و تابارا - 2004 - ، به بررسی پروفیلهای جریان روی سرریز اوجی با استفاده از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی ADINA پرداختند. در این تحقیق سطح آزاد سیال برای چندین تراز جریان روی سرریز به عنوان سطوح مبنا در آزمایشگاه، اندازهگیری شد. همچنین مدل عددی از سرریز ساخته شد و در نهایت نشان داد که سطوح آزاد جریان پیشبینی شده توسط مدل عددی یک هماهنگی خوبی با ویژگیهای جریان روی سرریز و همچنین با پروفیلهای اندازهگیری شده جریان در مدل آزمایشگاهی دارد .[4] جانسون و سویج - 2006 - ، به مقایسه عددی و آزمایشگاهی جریان روی سرریز اوجی با در نظر گرفتن پایاب پرداختند. دو مدل فیزیکی از سرریز اوجی ساخته شد، که یک مدل دارای پرتاب کننده جامی شکل و مدل دیگر ساده و به صورت افقی بود. مدلها در فلومی به طول 12 متر، عرض 1/83 متر و عمق 1/22 آزمایش و میزان جریان روی تاج و فشار پیزومتریک اندازهگیری شدند. همچنین مدل عددی از سرریزها با نرم افزار Flow-3D ساخته شد. مقایسه نشان داد که مدل عددی میتواند پیشبینی درستی از میزان جریان روی سرریز و توزیع فشار را کند .[5] تولیس و نیلسون - 2008 - ، عملکرد سرریز اوجی مستغرق و روابط دبی اشل آن را به طور آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دادند. آزمایشها در آزمایشگاه پژوهشکده آب یوتا انجام شد. استغراق روی 9 هندسه از سرریز با تاج اوجی آزمایش شد. از نتایج این تحقیق میتوان به این مطلب اشاره کرد که برای سطح استغراق کمتر از 0/7 روابط دبی اشل به ارتفاع پایاب بستگی دارد و برای درجه استغراقهای کمتر از 0/8، داده-های دبی اشل در حالت مستغرق به بهترین حالت میتواند با استفاده از رابطهی دبی اشل در حالت آزاد پیشبینی میشود .[7] خسروجردی و مهرجردی - 1386 - طی تحقیقی مبادرت به شبیهسازی میدان جریان عبوری از روی سرریز اوجی به کمک نرمافزار فلوئنت در شرایط سهبعدی برای دو حالت محور مستقیم و محور قوسدار ورزیدند. بر اساس نتایج بهدست آمده ضریب آبگذری و فشار استاتیکی و سرعت جریان در محدودهی مقطع اوجی مربوط به انحنای سرریز به سمت بالادست نسبت به حالتهای انحنای محور سرریز به سمت پاییندست و امتداد مستقیم دارای مقدار بیشتری میباشد .[2] وانگ و چن - 2010 - به تحقیقی آزمایشگاهی درباره بهبود طراحی دیوار هدایت کننده پشت سرریز با تاج مسقیم با هدف جلوگیری از تشکیل گردابهها و جداشدن جریان در طول دیوار هدایت کننده در جلوی دریچه هنگام روگذری سرریز پرداختند. یک مدل فیزیکی از پشت سرریز سد یوتانگ ساخته شد. پروفیل دیوار هدایت کننده دوباره طراحی شد. نتایج آزمایش نشان داد که طراحی این دیوارها در بهبود شرایط جریان ورودی، اطمینان از مقدار قابل قبول برای هد آب در طول دیوار هدایت کننده و ظرفیت دبی سرریز موثر است .
.3 مواد و روشها
آزمایشهای این پژوهش در پژوهشکدهی حفاظت خاک و آبخیزداری تهران با استفاده از مدل آزمایشگاهی سرریز اوجی سد گرمیچای میانه در مقیاس 1:75 انجام شد. در این تحقیق از مخزنی به ابعاد 1/20 متر طول، 0/7 متر عرض، 0/5 متر عمق از جنس پلکسیگلاس و فلومی به طول 4 متر، عرض 0/60 متر و ارتفاع 0/50 متر از جنس دیوارههای مصالح بنایی استفاده شد؛ پروفیل اوجی سرریز سد گرمیچای براساس استاندارد USBR و با ارتفاع طراحی 3 متر، طراحی شده بود. نمایی از پلان و مقطع سرریز در شکلهای 1 و 2 نشان داده شده است. در جدول 1 مشخصات هندسی مدل فیزیکی سرریز که با استفاده از تشابه فرود شبیهسازی شدهاند را نشان میدهد. سرریز بوسیله دستگاه تراشکاری از بلوک با جنس تفلون طبق نقشه تراشیده و ساخته شد. دیوارههای کانال ورودی جریان، دیواره جانبی سرریز و کانال پاییندست سرریز از پلکسیگلاس ساخته شد. برای در نظر گرفتن اثر کانال ورودی جریان به سرریز، از چهار دیوار هدایت کننده در فاصله های 0، 2/9، 5/9 و 11/9 سانتیمتری از بدنه سرریز به طور متقارن قرار داده شد تا عرض کانال ورودی جریان به سرریز بهترتیب 46/2، 52، 58 و 70 سانتیمتر بدست آید. آزمایشها برای هر کانال با پنج دبی 2/05، 3/08، 5/13، 6/16 و 6/94 لیتر بر ثانیه آزمایش و برای اندازهگیری ارتفاع سطح آب از ارتفاعسنج1 با دقت 0/1 میلیمتر استفاده شد. برای تأمین آب از یک پمپ حلزونی که توانایی پمپاژ حداکثر دبی 46 لیتر بر ثانیه را به داخل مدل دارد استفاده و برای اندازهگیری دبی جریان از یک سرریز مثلثی لبهتیز با زاویه رأس 90 درجه در قسمت خروجی فلوم که قبل از انجام آزمایش کالیبره شده و دارای دقت 0/1 لیتر بر ثانیه بود استفاده شده است.
