بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله به بررسی آزمایشگاهی اثر عدد فرود جریان بر روی آبشستگی و تغییرات توپوگرافی بستر در مسیر مستقیم به دلیل استقرار آبشکن T شکل پرداخته شدهاست. تغییرات توپوگرافی بستر، چاله آبشستگی، عمق رسوبگذاری پایین دست تحت تاثیر عدد فرود و زاویه قرار گیری آبشکنها نسبت به ساحل مجاور بالادست مد نظر قرارگرفتهاست. نتایج بطور کلی بیانگر کاهش ابعاد چاله آبشستگی - عمق حداکثر، حجم چاله آبشستگی و طول و حجم رسوبگذاری - با کاهش عدد فرود میباشد. همچنین نتایج نشان داد ابعاد چاله آبشستگی در حالت جاذب کمتر از حالت قائم و دافع میباشد.
-1 مقدمه
آبشکن یکی از سازههای مهندسی است که جهت حفاظت از ساحل رودخانه مورد استفاده قرار میگیرد. این سازه با دورکردن جریان از ساحل رودخانه باعث جلوگیری از فرسایش دیوارهها میگردد، از طرف دیگر احداث این سازه باعث تغییر الگوی جریان در رودخانه گشته و باعث ایجاد چاله آبشستگی در دماغه آبشکن میشود. رسوبات خروجی از آبشکن اول تاثیر زیادی بر روی توپوگرافی بستر در پایین دست رودخانه میگذارد و از طرف دیگر هنگام طراحی آبشکنهای سری، آگاهی از توپوگرافی بستر کمک زیادی برای طراح میباشد.
با توجه به اینکه با تخمین عمق، عرض و طول بالا دست چاله آبشستگی اطراف آبشکنها میتوان عمق پی آبشکنها و همچنین محدودهای از اطراف آبشکنها که باید در برابر آبشستگی جهت جلوگیری از تخریب یا واژگونی سازه حفاظت شود را تعیین نمود. از آنجا که با تغییر در مقاطع رودخانه یا هیدروگراف سیلاب ورودی شاهد تغییرات عدد فرود و عمق جریان میباشیم و از طرفی تغییر عدد فرود بر روی چاله آبشستگی و توپوگرافی بستر پایین دست مجاور آبشکن های دوم و سوم شدیدا تاثیر میگذارد.
معمولاً به منظور حفاظت از جداره رودخانهها از چند آبشکن به صورت سری استفاده میشود و استفاده از آبشکن منفرد برای اهداف خاصی میباشد. Kuhnle و همکاران در سال 2002 مطالعهای بر روی الگوی آبشستگی اطراف یک آبشکن ذوزنقه ای با زوایای 45و 90و135درجه نسبت به ساحل بالادست در کانال مستقیم انجام دادند ایشان نشان دادند آبشکن با زاویه ی 45 درجه نسبت به ساحل بالا دست دارای بیشترین فرسایش بستر می باشد
Nag در سال 2005 به بررسی آزمایشگاهی آبشستگی آبشکن تیغهای در کانال مستقیم در دو حالت مستغرق و غیرمستغرق و سه زاویه قرارگیری آبشکن نسبت به ساحل پایین دست 90,60,30 - درجه - پرداخت، ایشان نتیجه گرفت حداکثر عمق آبشستگی در حالت مستغرق کمتر از غیرمستغرق میباشد. همچنین حداکثر عمق آبشستگی با افزایش زاویه قرارگیری افزایش می یابد
Elawady et al در سال 2001 به بررسی آزمایشگاهی آبشستگی اطراف آبشکن تیغه ای در مسیر مستقیم پرداختن و پارامترهای عمق استغراق، زاویه قرارگیری آبشکن نسبت به ساحل، طول و ارتفاع آبشکن را بررسی کرد
Fujita et al در سال 2003 به بررسی آزمایشگاهی آبشستگی اطراف آبشکن مستغرق در کانال مستقیم پرداخت و پارامترهای نوع آبشکن - باز و بسته - ، عمق جریان و توزیع سرعت را بررسی کرد.[4] فرهادیان در سال 1387 تحقیقاتی بر روی اثر بال و اثر جان آبشکن سر سپری غیر مستغرق بر آبشستگی انجام داد و در انتها به این نتایج رسید که با افزایش طول آبشکن، میزان عمق آبشستگی پیرامون آبشکن افزایش و در نسبت بال به جان آبشکن برابر 0/5 کمترین مقدار آبشستگی حاصل می شود.
نوربخش و همکاران در سال 1390 با چند سری آزمایشاتی که با آبشکن های سرسپری در حالت مستغرق با ابعاد مختلف انجام داد به این نتیجه رسید که با افزایش ابعاد آبشکن میزان آبشستگی افزایش مییابد.
هدف از این تحقیق بررسی تاثیرعدد فرود و همچنین زاویه قرارگیری آبشکن های سرسپری سری با زاویه قرارگیری 60 - و120و90درجه - نسبت به ساحل مجاور بالادست در کانال مستقیم در حالت غیر مستغرق می باشد، که با توجه به احداث آبشکن ها در طبیعت که معمولا به صورت سری میباشد تحقیق روی الگوب آبشستگی ضروری بهنظر میرسد. لذا در این تحقیقات به بررسی این پارامتر مهم پرداختیم. همچنین تغییر در زاویه قرارگیری آبشکن نسبت به ساحل مجاور نیز بر پارامترهای آبشستگی تاثیرگذار میباشد، در نتیجه با بررسی این دو پارامتر و یافتن گزینه مناسب تا حد زیادی در ساخت و حفاظت سازهها میتوان صرفه جویی کرد.
-2 روش انجام تحقیق
آزمایشات مورد نظر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه تربیت مدرس تهران انجام شده است. برای انجام آزمایشات ازکانال مستقیم به طول 7/20 متر، به عرض 0/6 متر ، ارتفاع 0/5 متر ، شیب کف بستر 0/001 ، قطر مصالح بستر 1/28 میلیمتر و عدد فرود 0/34 استفاده شده است. جنس آبشکنها پلکسی گلاس به ضخامت 1 سانتیمتر و مطابق شکل 1 میباشد که در آن فاصله بین دو آبشکن متوالی 2/5 برابر طول آبشکن ، طول بال آبشکن 9 سانتی متر معادل پانزده درصدعرض کانال میباشد. در مورد انتخاب فاصله بین آبشکنهای سری ذکر این نکته ضروری میباشد که ما در طراحی میبایست دو مسئله را در نظر داشته باشیم اول اینکه کمترین مقدار آبشستگی را داشته باشیم یعنی پارامترهای آبشستگی - عمق ، عرض، وحجم چاله - کمتر باشد و از طرفی از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشد.
شکل -1 شکل شماتیک از آبشکن ها
همچنین در این آزمایشها طول فلوم به اندازهای بود که تلاطم جریان ورودی وخروجی در محدوده آبشکن وجود نداشت و در این محدوده جریان یکنواخت برقرار بود. فلوم مورد استفاده مجهز به مخزن و پمپ بالادست، مخزن پایین دست و دبی سنج در پایین دست می باشد. تنظیم جریان ورودی به فلوم توسط یک شیر فلکه که در ورودی فلوم قرار داشت صورت میگرفت.
برای اندازه گیری دبی عبوری از کانال، از یک سرریز مثلثی شکل لبه تیز با زاویه داخلی 90 درجه به همراه یک اشل میلهای در مخزن پایین دست استفاده شد. بعد از بالا آمدن آب در کانال، شیر پمپ بالا دست بطور تدریجی باز میشد سپس با مشاهده دبیسنج پایین دست، در حالی که آب با عمق زیاد در کانال در حال جریان است، دبی جریان تنظیم میشد. با دریچه ی پایین دست کانال، عمق هیدرولیکی مورد نظر ایجاد و زمان تنظیم عمق جریان همان زمان شروع آزمایش در نظر گرفته میشد.
دبی کانال در تمام آزمایشات ثابت و مقدار 25 لیتر در ثانیه و زمان انجام تمام آزمایشها 24 ساعت معادل زمانی بود که تغییرات عمق آبشستگی در محل عمق حداکثر در هر سه آبشکن، کمتر از 1 میلیمتر در بازه 4 ساعت آخر آزمایش بود. برای قرائت تراز سطح آب - عمق جریان - از یک دستگاه عمق سنج نقطه ای مکانیکی - - Point Gage با دقت 0/01 میلیمتر استفاده گردید. در انتهای آزمایش پارامتر های آبشستگی - عرض حفره، طول حفره در بالادست و پایین دست و حداکثر عمق حفره آبشستگی اطراف آبشکن ها - و توپوگرافی بستر با متر لیزری با دقت 1 میلیمتر برداشت شد. شکل شماتیک کانال در شکل 2 آورده شده است.
شکل -2 نمای شماتیک از پلان کانال
-3 تحلیل نتایج
با توجه به تنگشدگی عرضی، سرعت جریان در محل آبشکن افزایش مییابد. انحراف جریان بواسطه وجود آبشکن و جریان گردابی بوجود آمده در حدفاصل بین بال و جان آبشکن باعث ایجاد تنش برشی زیادی در بالادست آبشکن و آبشستگی موضعی میشود. همچنین در پایین دست آبشکن یک ناحیه جدایی جریان بوجود میآید که در این ناحیه سرعت جریان بسیار پایین بوده و سیال تقریبا به حالت ساکن در میآید.
در این ناحیه رسوب گذاری رخ میدهد البته استغراق آبشکن و جریان عبوری از روی آبشکن که متمایل به سمت بستر است، باعث افزایش سرعت در این حالت نسبت به حالت غیرمستغرق میشود. در ابتدای هر آزمایش دو دسته گردابه عمودی که محور آنها عمود بر مسیر جریان آب است در محدوده بین بال آبشکن و ساحل مجاور تشکیل میشود. از حدود 0.4 تا 0.6 عمق آب یک صفحه جدایی مشاهده میشود که در محل این صفحه جدایی قسمتی از جریان رو به بالا - up flow - و قسمتی دیگر از جریان به صورت جریان پایین رونده - down flow - عمل می-کند، علت این پدیده میتواند این باشد که با توجه به اینکه مقدار سرعت ماکزیممتقریباً در محل همین صفحه جدایی میباشد در اثر برخورد با آبشکن هد سرعت به هد فشار تبدیل میشود در نتیجه فشار ماکزیمم در این محل میباشد و در نتیجه با توجه به اینکه فشار در سطح آب و در کف به دلیل سرعت پایینتر، کمتر میباشد به همین دلیل قسمتی از جریان به سمت بالا و قسمتی از جریان به سمت پایین که فشار کمتر می باشد حرکت میکنند در واقع علت اصلی تشکیل جریانهای پایین رونده و بالا رونده وجود گرادیان فشار میباشد
این جریان پایین رونده باعث فرسایش در بالادست آبشکن میگردد. جهت این گردابههای عمودی پادساعتگرد بوده و همزمان با این گردابههای عمودی، گردابههای افقی ناشی از جریان لایه های پایین، در محل تماس آبشکن با سطح بستر در بالادست و در داخل محدوده بال و جان آبشکن در جهت خلاف عقربههای ساعت تشکیل میگردد. گردابههای قائم به جداسازی رسوبات از بستر میپردازند و گردابههای افقی رسوبات جدا شده را به خارج از سطحچاله آبشستگیِ هدایت میکنند.
این گردابهها عامل اصلی ایجاد آبشستگی در دماغه بالادست آبشکن هستند. از برخورد down flow وجریان در لایه های پایین جریانی شبیه گردابه نعل اسبی در پایه پل تشکیل میشود که قدرت این گردابهها در ابتدای آزمایشها به قدری زیاد میباشد که باعث خروج مصالح به حالت پرتابگونه به وسط کانال و به سمت پایین دست می شود و به مرور زمان و با افزایش عمق چاله آبشستگی قدرت این گردابهها نیز کاهش مییابد.
به عبارت دیگر در محل استقرار آبشکن به علت کاهش عرض مقطع جریان، سرعت جریان بیشتر میگردد و این به معنی کاهش فشار در این مقطع خواهد بود. این باعث میشود که در دماغه آبشکن تمرکز تنش ایجاد شده و آبشستگی از این ناحیه شروع گردد. بین آبشکنهای اول و دوم ، همچنین دوم و سوم و پایین دست آبشکن سوم یک جریان بازگشتی مشاهده میشود که این جریان در خلاف جریان اصلی حرکت کرده و زمانی که به پشت بال پایین دست آبشکن که فشار کم است میرسد به دلیل گرادیان فشار، گردابه هایی پادساعتگرد و عمود بر جهت جریان اصلی تشکیل میدهد.
وجود همین جریان بازگشتی و وجود یک ناحیه با فشار کم در پشت بال پایین دست آبشکن ها می تواند دلیلی بر کاهش آبشستگی و رسوب گذاری بین آبشکنها و پایین دست آبشکن سوم نسبت به مقطع بالادست آبشکن اول باشد. - در واقع وجود بال در آبشکن T شکل باعث ایجاد یک ناحیه محصور بین بال آبشکن و ساحل مجاور شده، و از برخورد جریان به ساحل مجاور جلوگیری میکند - .
شکل 3 اثر زاویه آبشکن با ساحل مجاور بالا دست و همچنین تغییر عدد فرود بر روی تغییرات توپوگرافی بستر را نشان میدهد. همان طوری که از شکل پیداست عمق ماکزیمم آبشستگی، پشت بال بالادست آبشکن اول اتفاق افتاده و ابعاد چاله آبشستگی - عمق ماکزیمم ، طول بالا دست و عرض - در حالت آبشکنهای جاذب نسبت به آبشکن های قائم، وآبشکنهای قائم نسبت به آبشکنهای دافع کمتر است.
همچنین حجم و طول رسوب گذاری در پایین دست آبشکنها در حالت جاذب کمتر از حالت دافع و قائم میباشد. همچنین با کاهش عدد فرود شاهد کاهش عمق ماکزیمم آبشستگی و طول ، عرض و حجم گودال آبشستگی میباشیم که این کاهش ابعاد گودال آبشستگی را در هر سه نوع آبشکن میتوان دید. با بررسی شکلهای پایین متوجه میشویم که در عدد فرود0/23 در اطراف آبشکن سوم کمترین مقدار آبشستگی را داریم و همچنین وجود گودال کوچکی بعد از آبشکن سوم در عدد فرود کمتر که به رنگ سبز مشخص شده، مشهود میباشد.
