بخشی از مقاله
خلاصه
آبشکنهای طویلٌ دیوارههای عرضی هستند که در کناره ساحل رودخانه ساخته شده و با دور کردن جریان از ساحل و متمرکز کردن آن در وسط به حفاظت دیوارهها کمک میکنند. آبشکنها نخست به دلیل افزایش راندمان هیدرولیکی کانالهای باز و دوم به دلیل کاهش میزان آب-شستگی دیواره ها بکار می رود. آبشکنها بیشتر در بالادست پلها به صورت چسبیده به دیواره رودخانه و عمود بر جریان نصب میشوند.
این سازه-ها تحت تاثیر پدیده فرسایش ناشی از تمرکز جریان خصوصا در دماغه آبشکن میباشند ، اگر سرعت جریان آب در نزدیکی دماغه آبشکن کاهش یابد در نتیجه میزان آبشستگی هم کاهش مییابد. در تحقیق حاضر میزان آبشستگی در اطراف سه نوع آبشکن L شکل، T شکل و با دهانه شش ضلعی بررسی شد. آزمایش ها با درصدهای مختلف نفوذپذیری در قسمت دماغه و حالت مستغرق و غیر مستغرق انجام پذیرفت. نتایج آزمایشها نشان داد که کلیه آبشکنها برای بهکارگیری در حالت استغراق توصیه میشوند با تغییر درصد نفوذپذیری دماغه و بدنه به % 42/77 با کاهش آبشستگی در اطراف بدنه آبشکن ها در حدود %35 میباشد که نشاندهنده کاهش سرعت جریان در نزدیکی دماغه نفوذپذیر در حالت مستغرق است.
.1 مقدمه
قرنهاست که رودخانهها نظر انسان را به خود جلب کردهاند. بیشتر شهرهای آباد جهان در کنار رودها احداث شدهاند. مهندسی رودخانه به مطالعه و شناسایی هرچه عمیقتر مسائل فرسایش و رسوب در رودخانه، کنترل سیلاب و ساماندهی رودخانه میپردازد.
آبشکنهاموانع ایجاد شده در مقابل جریان طبیعی رودخانه هستند که منجر به انحراف خطوط جریان و تمرکز و تفرق آنها میگردد. عمق آبشستگی موضعی به مراتب بیشتر از کفکنی ایجاد شده توسط آبشستگی عمومی است. از این رو تعیین عمق چاله آبشستگی ناشی از فرسایش موضعی در طراحی و بررسی پایداری سازههای ساماندهی دارای اهمیت زیادی است. طول موثر آبشکنهای نفوذناپذیر باید به کمتر از 15درصد عرض کانال لب پر محدود شود و طول آبشکنهای نفوذپذیر باید کمتر از 25درصد عرض کانال باشد.[
تاکنون محققان متعددی مسئله آبشستگی اطراف آبشکنها را مورد بررسی قرار دادند، در این تحقیقات جنبههای مختلف از پارامترهای اثرگذار بر آبشستگی موردبررسی قرار گرفته است.
احمد و همکاران - 2010 - با تجزیه و تحلیل جریان در اطراف آبشکن نفوذ ناپذیر در یک طرف کانالهای مرکب متقارن نتیجه گرفتند که برای کاهش اثرات آبشستگی و سیل طول آبشکن باید کمتر از نصف عرض دشت سیلابی باشد .
پنگ و همکاران - 2011 - با مطالعه روی انتقال رسوبات معلق در جریان کانال با آبشکن نفوذپذیر، جریانی که در مسیر آن آبشکن نفوذپذیر نصب شده به این نتیجه رسیدند که شدت تنش رینولدزی افزایش می یابد و برای این آبشکن انتقال رسوبات در جهت طولی به مراتب بیشتر از انتقال جانبی است و غلظت رسوبات معلق در مسیر به علت ترسیب کاهش می یابد که این مورد در آبشکن نفوذ ناپذیر دیده نشد.
مهرآیین و همکاران - - 2014 تاثیر آبشستگی موضعی بر ساختار جریان نزدیک بستر اطراف یک آبشکن مستقیم را بررسی کردند و دریافتند که ماکزیمم سرعت در مجاور آبشکن ها مشاهده شد. روند مشابه برای پارامترهای جریان متلاطم مثل نوسانات سرعت در جهت عمودی، انرژی جنبشی متلاطم و تنش برشی رینولدز در طول قوس مشاهده شد. میزان حداکثر آبشستگی موضعی در مجاور آبشکن ها مشاهده شد و بیشترین میزان آبشستگی موضعی برای زاویه 45 درجه بود .
امینی و همکاران - 1391 - با بررسی آزمایشگاهی آبشکنهای نفوذپذیر و ناپذیر به این نتیجه رسیدند که عمق آبشستگی با دبی عبوری و فاصله نسبی آبشکن ها رابطه مستقیم دارد آشفتگی بستر در آزمایش آبشکنهای نفوذپذیر بیشتر از آبشکنهای نفوذناپذیر میباشد.
یبارهپور و کاشفی پور - 1393 - با بررسی تاثیر نفوذپذیری آبشکن روی ابعاد چاله فرسایشی به این نتیجه رسیدند که با افزایش عدد فرود ابعاد چاله فرسایشی در سه جهت طول، عرض و عمق برای آبشکن نفوذناپذیر به میزان بیش از 1/5 برابر افزایش مییابد با کاهش نفوذپذیری آبشکن ابعاد چاله فرسایشی در جهت طول و عمق به میزان بیش از 4 برابر و عرض به میزان بیش از 2 برابر افزایش مییابد. ابعاد چاله فرسایشی اطراف آبشکن بسته - نفوذناپذیر - به میزان قابل توجهی بیشتر از آبشکن باز با نفوذپذیری %30 و %40 و %50 است. با افزایش عدد فرود، رسوبگذاری اطراف آبشکن نفوذناپذیر ردیف دوم به میزان بیش از 2 برابر افزایش مییابد. با افزایش نفوذپذیری، آبشستگی اطراف دو ردیف آبشکنها کاهش مییابد .
.2 مواد و روشها
2-1 تحلیل ابعادی
بهمنظور یافتن رابطه بین عوامل مؤثر بر آبشستگی در آبشکنهای تحلیل ابعادی روی پارامترهای مؤثر انجام شدهاست.
اگر پارامترهای دخیل در پدیده آبشستگی آبشکن را در به صورت رابطه زیر نشان دهیم:
که در این رابطه جرم مخصوص سیال،V سرعت متوسط جریان قبل از رسیدن به آبشکن، H عمق جریان، B عرض کانال، Lx طول، HSD ارتفاع آبشکن، درصد نفوذپذیری، g شتاب ثقل، D50 قطر متوسط ذرات بستر، s چگالی ذرات بستر، Vc سرعت بحرانی ذرات رسوبی بستر، Q دبی جریان، A سطح بدنه، لزجت دینامیکی سیال، HS عمق آبشستگی در دماغه آبشکن. با استفاده از روش باکینگهام، رابطه نهایی به صورت زیر نوشته می شود:
2-2 تجهیزات آزمایشگاهی
آزمایشها در آزمایشگاه هیدرولیک گروه مهندسی آب دانشگاه تبریز که مجهز به یک کانال مستطیلی فلزی - شیشه ای به طول کاری 6 متر، عرض 80 سانتی متر و ارتفاع 50 سانتیمتر است، انجام شد. شیب کف کانال از صفر تا 0/03 درصد قابل تغییر بوده و مجهز به یک حوضچه آرامش انتهایی است که به کمک سرریز مستطیلی نصب شده در آن دبی اندازه گیری می شود. آب به وسیله یک پمپ به قدرت 100 اسب بخار و حداکثر ظرفیت پمپاژ 60 لیتر بر ثانیه از مخزن اصلی به کانال انتقال می یابد و یک دریچه قابل تنظیم در پایین دست، عمق پایاب را تنظیم می نماید و بعد از طی طول کانال و عبور از توری آشغالگیر وارد مخزن انتهایی میشود. عمق آب در کانال و همچنین عدد فرود بالادست توسط آببندها که در انتهای کانال قرار گرفتهاند تنظیم میگرددبرای تنظیم عمق جریان در کانال از دریچه پروانه-ای که در انتهای کانال نصب شده بود، استفاده گردید.
شکل 1-2 شمای کلی کانال آزمایشگاهی
مدل آبشکنها با سطح مقطع ثابت مستطیلی از جنس چوب، توریسنگ و چوب و توریسنگ با ارتفاع 35سانتیمتر و به طول کلی 14سانتیمتر که طول بدنه 12 سانتیمتر و عرض دماغه 2 سانتیمتر. با 3 دماغه متغیر T شکل به طول 14 سانتیمتر، L شکل به طول 6 سانتیمتر و ششضلعی به طول 8 سانتیمتر طراحی شد. آزمایشها در 5 سری 6 تایی انجام شد که در 6 آزمایش اول بدنه و دماغه برای هر سه نوع آبشکن در هر دو حالت مستغرق و غیر مستغرق بصورت کاملا صلب، سری دوم کاملا نفوذپذیر ، سری سوم بدنه صلب و دماغهی کاملا نفوذپذیر، سری چهارم آزمایشها بدنه کاملا صلب و دماغه نیمه صلب در 6 آزمایش آخر بدنه و دماغه نیمه صلب انجام شدند.
3-2 روش انجام آزمایشها
آبشکن ها در قسمت میانی کانال آزمایش روی دیواره سمت راست نصب شدند و بعد از تثبیت و تسطیح کامل بستر در مقابل جریان آب قرار گرفتند. برای هر مدل یک بار با ارتفاع آب 21 سانتیمتر در حالت مستغرق و یک بار در ارتفاع 16 سانتیمتر - حالت غیرمستغرق - آزمایشها انجام شد. در هر آزمایش، آبشکن در راستای طولی کانال در جایی که علامت گذاری شده بود نصب و سپس به آرامی شیر فلکه مخزن باز میگردید و آب در بستر جریان مییافت. سپس دبی جریان با شیر فلکه به گونه ای تنظیم می شد که با نوک سطح سنج داخل مخزن انتهایی قبل از سرریز تماس یابد. در هر آزمایش عمق و سرعت جریان چنان تنظیم می شد تا V/Vc=0.9 حاصل شود.
در پایان 3 ساعت و 30 دقیقه که زمان تعادلی این آزمایشها است و از زمان برابر با 0/9 ارتفاع آبشستگی پس از 9 ساعت آزمایش بدست آمده است، تمام آببند ها سر جای خود قرار میگیرند و پس از بالا آمدن سطح آب، فلکه بسته میشود و شیر تخلیه باز میشود تا سطح آب به آرامی پایین بیاید. در انتها ابعاد و توپوگرافی بستر اندازهگیری میشود.
4-2 مدل فیزیکی آبشکنها
مدل آبشکنها با سطح مقطع ثابت مستطیلی از جنس چوب، توریسنگ و چوب و توریسنگ با ارتفاع 35سانتیمتر و به طول کلی 14سانتیمتر که طول بدنه 12 سانتیمتر و عرض دماغه 2 سانتیمتر. با 3 دماغه متغیر T شکل به طول 14 سانتیمتر، L شکل به طول 6 سانتیمتر و ششضلعی به طول 8 سانتیمتر طراحی شد. آزمایشها در 5 سری 6 تایی انجام شد که در 6 آزمایش اول بدنه و دماغه برای هر سه نوع آبشکن در هر دو حالت مستغرق و غیر مستغرق بصورت کاملا صلب، سری دوم کاملا نفوذپذیر ، سری سوم بدنه صلب و دماغهی کاملا نفوذپذیر، سری چهارم آزمایشها بدنه کاملا صلب و دماغه نیمه صلب در 6 آزمایش آخر بدنه و دماغه نیمه صلب انجام شدند. نمونه از مدل آبشکن T شکل صلب در شکل زیر آمده است .
