بخشی از مقاله
خلاصه
کارآیی هیدرولیکی سرریزهای ریزشی آزاد برای یک هد ثابت، ارتباط مستقیم با طول سرریز دارد. یکی از معایب سرریزهای متداول، ظرفیت تخلیه پایین آنها بواسطه محدودیت عرض موجود برای اجرای این نوع سرریزها میباشد. یکی از راههای حل این مشکل، استفاده از سرریز با تاج غیرخطی و افزایش طول عبوری جریان میباشد. شکل جدیدی از سرریزهای غیرخطی سرریزهای کلیدپیانویی هستند که توسط موسسه Hydrocroop فرانسه و آزمایشگاه هیدرولیک و محیطزیست دانشگاه Biskara الجزایر ارائه شده است.
در این نوع از سرریزها، برخلاف سرریزهای کنگرهای، دهانهها یک در میان شیبدار به سمت داخل مخزن و بیرون میباشد. در این تحقیق ساختار جریان بر روی این نوع سرریزها با استفاده از نرمافزار FLOW-3D بصورت سه بعدی مدلسازی عددی شده و ضمن صحت سنجی با نتایج آزمایشگاهی، الگوی جریان در لایههای مختلف، داخل کلیدهای ورودی و خروجی و همچنین بخشهای مختلف تاج سرریز تحلیل شده است.
بر اساس نتایج حاصله، سرریزهای کلیدپیانویی به واسطه تأثیر کنسولها و شیب کلیدهای ورودی و خروجی بر کاهش افت انرژی جریان نزدیکشونده، کاهش فشردگی خطوط جریان، کاهش استغراق موضعی در کلیدهای ورودی و خروجی و همچنین توزیع بهتر جریان بر روی بخشهای مختلف سرریز باعث افزایش ضریب آبگذری میشود.
1. مقدمه
سرریزها بخش مهمی از مجموعه سازه ها و متعلقات یک سد بوده و اهمیت آن از دیدگاه فنی و اقتصادی قابل ملاحظه است به نحوی که تضمین ایمنی سدها - عمدتاً سدهای خاکی - در مواقع سیلابی از طریق تخلیه جریان مازاد بر حجم مخزن بر عهده سرریز بوده و هزینه ساخت سرریزمعمولاً حدود 20 درصد هزینه کل پروژه میباشد. لذا انتخاب مناسب نوع سرریز و همچنین طراحی هیدرولیکی مناسب آن میتواند در عملکرد درست کل طرح تاثیرگذار باشد
گزارشهای اعلام شده از خرابی سدها نشان میدهد که یک سوم از خرابی سدها بر اثر کم بودن ظرفیت تخلیه سرریزها رخ داده است. به همین دلیل موسسه - ICOLDکمیته بینالمللی سدها - توصیه کرده که سرریز سدهای بلند برای اطمینان از امنیت آنها مجدداً مورد بررسی قرار گیرند. لذا باید برای طراحی سرریزها سیلابها را با دوره بازگشت بزرگتری در نظر گرفت که این امر سبب افزایش عرض سرریز و به تبع آن بالا رفتن قیمت ساخت سرریز میشود. به همین دلیل طراحان برای کاهش قیمتها سعی کردند که با رعایت ضریب اطمینان لازم ابعاد سرریزها را کوچک کنند و ساختار آن را ساده نمایند.
محققین با انجام مطالعات متعدد به این نتیجه رسیدند که برای دستیابی به سازهای اقتصادی با کارایی بالا، سرریزها باید به صورت غیرخطی ساخته شوند. در بین طرحهای مختلف، سرریز کنگرهای بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. این نوع سرریزهاعمدتاً برای سدهایی که با محدودیت عرض برای نصب سرریز مواجه بوده و یا مواقعی که مخزن سد ظرفیت کافی برای ذخیرهسازی سیل اضافی را نداشته باشد استفاده میشود.
سرریزهای کنگرهایغالباً با استفاده از دیوارهای قائم ساخته شده و کارآیی آنها بسیار بهتر از سرریزهای خطی میباشد. ساخت این نوع سرریزها بواسطه استفاده از دیوارههای قائم ساده میباشد، لیکن معایبی نیز دارند. جریان نزدیک شونده به این نوع سرریزها، به ویژه جریانهای تحتانی، پس از ورود به محدوده دو دیواره قائم تاج های کناری، شداًی دچار فشردگی شده و به همین علت، تاجهای بالادست و پاییندست نیز عملکرد هیدرولیک مناسب ندارند.
از نظر اجرایی، دیوارههای این نوع سرریزها نیاز به تسلیح بالایی داشته و برای افزایش آبگذری سرریزهای کلید پیانویی به اندازه یک مترمکعب بر ثانیه، بایستی یک الی دو مترمکعب بتن مسلح استفاده نمود. علاوه بر نکات فوق الذکر، عیب عمده این نوع سرریزها، سطح پی بزرگ مورد نیاز برای نصب آنها بر روی سدهای بتنی میباشد. شکل جدیدی از سرریزهای غیرخطی سرریزهای کلیدپیانویی هستند که توسط موسسه هیدروکووپ فرانسه و آزمایشگاه هیدرولیک و محیطزیست دانشگاه بیسکارا الجزایر ارائه شده است.
در این نوع از سرریزها، برخلاف سرریزهای کنگرهای، دهانهها یک در میان شیبدار به سمت داخل مخزن و بیرون میباشد. اجرای این نوع سرریزها نسبت به سرریزهای کنگرهای، فضای کمتری نیاز داشته و لذا فونداسیون این نوع سرریزها میتواند ابعاد کوچکتری داشته باشد به نحوی که این مزیت باعث شده است تا بتوان از این نوع سرریز در تاج سدهای بتنی استفاده نمود.
از دیگر مزیتهای سرریزهای کلیدپیانویی میتوان به موارد زیر اشاره کرد: دبی مخصوص عبوری از سرریز را تا 100 مترمکعب بر ثانیه بر متر افزایش میدهند، دبی عبوری از این نوع سرریزها حداقل 4 برابر سرریزهای معمولی است، باعث افزایش ظرفیت مخزن میگردند و از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه بوده و هزینه نگهداری کمتری دارند.
در شکل -1 الف نمونه ای از سرریزهای کنگرهای بصورت مثلثی نشان داده شده است. لازم به ذکر است که این نوع سرریزها در حالات مستطیلی و نیمدایره نیز قابل اجرا میباشند. نمونه ای از سرریز کلیدپیانویی در شکل -1 ب نشان داده شده است. اولین سرریز کلیدپیانویی در سال 2006 بر روی سد گلورس در کشور فرانسه اجرا شده است
بعد از طی سالهای 2008 تا 2010 برای بهبود عملکرد تخلیه سیلاب سدهای مختلفی نظیر سنتمارک ، اترویت ، گلوریتس نیز از سرریزهای کلیدپیانویی استفاده شد. Lempérière و Ouamane در سال 2003 دو نوع سرریز کلیدپیانویی را ارائه کردهاند. نوع A که در آن شوت ها در هر دو سمت داخل و بیرون وجود دارند. نوع B که در آن فقط بخش شیبدار - شوت - به سمت داخل وجود دارد. اکثرا مطالعات بر روی هندسه سرریز کلیدپیانویی نوع A انجام گرفته است.
بنا به گفته Lempérière و Ouamane در سال 2003 ، دلیل اصلی عمومیت سرریز کلیدپیانویی نوع A نسبت به نوع B این است که هندسه سرریز نوع A بهتر و راحتتر با سازه پیشساخته بتنی قابل اجرا میباشد. مطالعات آزمایشگاهی Ouamane & Lempérière - 2006 - نشان داد که در سرریزهای کلید پیانویی دو نوع جریان غالب وجود دارد: کلید ورودی جریانهای نزدیک شونده را به سمت خود کشیده و مشابه سرریزهای لبه تیز با بدنه شیب دار جریان از روی تاج ورودی بصورت ریزشی به سمت پایین دست تخلیه می شود.
الگوی دوم بر روی کلید های خروجی شکل می گیرد. در این بخش، جریان عبوری از روی تاج خروجی، مشابه یک جت به سمت پایین دست بخش شیبدار کلید تخلیه می شود. با توجه به شکل 1 مزبور عوامل هندسی متعددی بر عملکرد این نوع سرریزها دخالت دارد که بتدریج و با استفاده از مطالعات آزمایشگاهی و عددی تاثیر عوامل مزبور بر رفتار هیدرولیکی سرریزهای کلید پیانویی در حال بررسی می باشد. Riberio et al., 2007 دبی کل عبوری از روی سرریزهای کلیدپیانویی را به یکسری عوامل هیدرولیکی و هندسی بصورت رابطه زیر مرتبط دانست:
در رابطه مزبور، P، W، Wi، Wo، Bi، Bo وL به ترتیب بیانگر ارتفاع سرریز، عرض کل، عرض کلید ورودی، عرض کلید خروجی، طول کنسول پایین دست ، طول کنسول بالادست و طول تاج کناری میباشد. Siو So شیب کلیدهای ورودی و خروجی بوده و t ضخامت بدنه میباشد. R شعاع انحنای تاج سرریز و زاویه دیواره کناری نسبت به جریان نزدیک شونده - زاویه کلید - میباشد. Q کل دبی عبوری از روی سرریز میباشد.
شکل - 1 پارامترهای هندسی سرریزهای کلید پیانویی نوع A
بر اساس مطالعات آزمایشگاهی Lempérière and Jun - 2005 - و Hien et al. - 2006 - مقدار بهینه برای نسبت Wi/Wo برابر 1/2 میباشد. Anderson and Tullis - 2012 - عملکرد هیدرولیکی سرریزهای کنگرهای و کلیدپیانویی مستطیلی را مقایسه کردند. بر اساس نتایج محققین مزبور، سرریز کلیدپیانویی بواسطه کاهش افت در کلید های ورودی، از عملکرد بهتری برخوردار است. صفرزاده و نوروزی - 1392 - هیدرودینامیک سرریزهای کلیدپیانویی، کنگرهای و کنگرهای با کلیدهای شیبدار را به صورت سه بعدی مطالعه کرده و نشان دادند در سرریزهای کلیدپیانویی به واسطه حذف فشردگی جریان در کلیدهای ورودی و همچنین توزیع بهتر جریان بر روی بخش های مختلف سرریز، ضریب آبگذری بالاتر از دو نوع دیگر میباشد. تاثیر دیواره جان پناه و شکل پشت بند نیز توسط محققین مزبور مطالعه شده است.
شکل - 2 - الف - سرریز کنگره ای - Labyrinth Weir - - ب - سرریز کلید پیانویی - Pianokey Weir -
.2 مبانی تئوریک
معادله حاکم بر پارامترهای هندسی و هیدرولیکی سرریزها بطور کلی به صورت زیر نوشته می شود :
در رابطه 2 ، Q دبی جریان، Cd ضریب دبی جریان، g شتاب گرانشی، L طول تاج سرریز و Ht کل هد آب روی تراز تاج سرریز در جریان نزدیک شونده میباشد.
با وجود مطالعات قبلی هنوز روش طراحی استانداردی برای سرریزهای کلیدپیانویی در دست نمی باشد. دلیل این امر وجود تعداد زیاد پارامترهای هندسی و همچنین درک محدود از تاثیر این پارامترها بر آبگذری سرریز کلیدپیانویی میباشد. به رغم وجود یک روش طراحی استاندارد، موسسه Hydrocoop فرانسه در سال 2009 پس از بررسی مدلهای مختلف یک هندسه بهینه را ارائه و در همین سال Lempérière رابطه 3 را برای تخمین دبی عبوری این هندسه بهینه ارائه کرد:
Pm در شکل 3 نشان داده شده است. h هد آب، که در محدوده 0.4Pm تا 2Pm است و q دبی در واحد عرض سرریز میباشد. تفاوت عمده رابطه 3 با رابطه 2 این است که در رابطه 2 عدد 4/3 که نمایانگر ضریب دبی میباشد عدد ثابتی است درحالیکه در رابطه 1 این ضریب - Cd - به ازای نسبتهای مختلف هد به ارتفاع برای هر سرریز متغییر میباشد.
3. مشخصات عددی مدلها و شرایط مرزی مسأله
برای ساخت مدلها ابتدا هندسه سهبعدی مدلها در محیط نرمافزار AutoCad ساخته شده و به فرمت قابل اجرای نرمافزار FLOW-3D تبدیل میشود. به منظور حل میدان جریان و انجام مطالعاتی بر روی مدل، از نرمافزار تحلیل جریان FLOW-3D استفاده شده است
