بخشی از مقاله
خلاصه
آبشستگی بستر در پایین دست سازههای هیدرولیکی از قبیل دریچهها، سرریزها و ... یکی از مهمترین موضوعات مورد توجه محققین در علم هیدرولیک رسوب میباشد. یکی از پارامترهای مهم در ارزیابی آبشستگی، عمق آن می باشد. در این تحقیق با ساخت یک مدل آزمایشگاهی و استفاده از سه دبی مختلف، آبشستگی رسوبات در پاییندست دریچه بررسی شده است و نمودارهای بدون بعدی برای تخمین محل ایجاد این آبشستگیها ارائه گردیده است. با استفاده از پروفیلهای بدست آمده از این آزمایشات و با استفاده از رابطه ساده شده، میتوان شکل گودال را در شرایط مختلف تعیین کرد و برای کاهش خسارات احتمالی، اقدامات لازم را انجام داد.
-1 مقدمه
آبشستگی موضعی یکی از موضوعات مهم و قابل توجه در مهندسی رودخانه و هیدرولیک جریان در بسترهای آبرفتی میباشد. چنانچه در یک بازه مورد بررسی، مقدار رسوب وارد شده کمتر از مقدار رسوب خارج شده باشد، عمل فرسایش کف رودخانه و یا بدنه آن رخ می دهد و کف رودخانه بتدریج گود می شود. از جمله اثرات منفی گود شدن بستر رودخانه، میتوان بهشکستِ برشی و لغزش در بستر و نیز افزایش گرادیان هیدرولیکی خروجی اشاره کرد که در نهایت،افزایش فشارِ بالابرنده و ایجاد پدیدهتَراوش را در پی دارد.
جریان در محل وقوع آبشستگی، یک فرایند دوفازی - آب و رسوب - است. بنابراین آبشستگی متاثر از متغیرهای بسیاری از قبیل پارامترهای جریان، مشخصات بستر آبرفتی، زمان و هندسه آبراهه میباشد. به همین دلیل محققین، هر یک به مطالعه بخشی از این وقایع پرداخته و آن را به صورت آزمایشگاهی و تجربی بررسی کرده اند. نکته مهمی که در مورد بستر فرسایش یافته باید اشاره نمود این است که اگر پروفیل ها بر اساس یک پارامتر مناسب بی بعد گردند، شکل آنها از نظر هندسی مشابه و مستقل از زمان خواهد بود و همچنین اندازه ذرات بر روی آن تاثیرگذار نیست .
عدم وابستگی پروفیل های بی بعد حفره آبشستگی به زمان و اندازه رسوبات، قابلیت کاربرد نتایج آزمایشگاهی در شرایط میدانی را بسیار افزایش میدهد
روابط تجربی و نیمه تجربی بسیاری برای پارامترهای مختلف آبشستگی از قبیل حداکثر عمق حفره در حالت تعادل، توسط محققین مختلف ارائه شده است. اغلب این روابط، حداکثر عمق آبشستگی را به عمق و دبی جریان و اندازه متوسط ذرات ارتباط می دهند. این روابط نتایج بسیار متفاوتی را به ازای شرایط یکسان جریان نشان می دهند. اینگونه تضادها در بحث آبشستگی در مجاورت سازه های هیدرولیکی، لزوم انجام تحقیقات بیشتر برای افزایش دانش و آگاهی موجود در راستای برنامه ریزی مناسب و کاهش خسارات ناشی از آبشستگی را ضروری میسازد.
حمیدیفر و همکاران - 1389 - با بررسی اثر نوع رس بر آبشستگی رسوبات چسبنده در پایین دست دریچه کشویی به این نتیجه رسیدهاند که گسترش طولی گودال آبشستگی در رسوبات با اندازه کوچکتر بیشتر است، اما در مقادیر زیاد رس چون ذرات رس کنترل رفتار فرسایشی خاک را در اختیار می-گیرند گسترش گودال در ذرات ریز دانه کمتر شده است .
مؤمنی وصالی و همکاران - 1387 - در تحقیقی با عنوان آبشستگی ناشی از جتهای مستطیلی در پایین دست پرتابههای جامی شکل با ترسیم مدلهای رگرسیونی خطی و توانی با استفاده از متغیرهای بدون بعد به این نتیجه رسیدند که این مدلها از دقت بالایی جهت تخمین آبشستگی پایین دست سازههای هیدرولیکی دارد و پیشبینی های بهتری برای حداکثر عمق آبشستگی نسبت به روابط موجود دارند .
حمیدی فر و همکاران - 1389 - با پژوهشی تحت عنوان آبشستگی موضعی بستر در پایین دست دریچه کشویی مشاهده کردند که در طول توسعه گودال آبشستگی، یک جریان برگشتی درون حفره ایجاد می شود که رسوبات را به سمت بالادست جابجا می کند. با بررسی پروفیل های آبشستگی در آزمایش های مختلف، مشخص شد که پروفیل ها از تشابه هندسی خاصی پیروی میکنند .
در پژوهشی دیگر - Termini et al., - 2011 در مقالهای با عنوان آبشستگی کف پایین دست سازههای هیدرولیکی تحت شرایط جریان پایدار - مطالعه موردی دریچه کشویی - به این نتیجه رسید گودال آبشستگی در % 34 اول طول مخزن رسوبات رخ میدهد. همچنین در اکثر آزمایشات بدست آمد که ماکزیمم طول آبشستگی به فاصله حداقل % 40 حداکثر طول آبشستگی در پایین دست لبه دریچه رخ میدهد
- Goel ,2010 - در مقالهای با موضوع بررسی آبشستگی پشت دریچه کشوئی بدون کفبند به این نتیجه رسید که آبشستگی بعد از دریچه به دبی و عمق آب در پاییندست بستگی دارد. همچنین به شرایط جریان قبل دریچه، بعد دریچه و هم در محل بازشدگی دریچه ارتباط دارد. همچنین حجم رسوب جابجا شده به میزان دبی جریان حساس است که منجر به عمق آب پایین دست متغیری میشود
علیرغم روابطی که برای پارامترهای تعادلی حفره ارائه گردیده است، برخی گزارشات حاکی از آن است که مدت زمان لازم برای حصول شرایط تعادل برای حفره آبشستگی میتواند بسیار طولانی باشد و حتی در بعضی شرایط ممکن است حفره اصلا به تعادل نرسد
هدف از انجام این تحقیق، شناخت مهمترین عوامل موثر بر پدیده آبشستگی رسوبات در پایین دست یک دریچه کشویی با تکیه بر دانش موجود و بررسی تاثیر این عوامل با استفاده از یک مدل آزمایشگاهی است.
-2 مواد و روشها
برای انجام آزمایش های این تحقیق، از مدل یک دریچه کشویی در آزمایشگاه هیدرولیک کاربردی دکتر فرهودی گروه مهندسی آب دانشگاه ارومیه استفاده شد. این مدل آزمایشگاهی شامل یک دریچه کشویی و یک کانال مستطیلی به طول 8 متر، عرض 0/6 متر و ارتفاع 0/4 متر بود. نمایی از مدل آزمایشگاهی و دریچه کشویی در شکلهای - 1 - و - 2 - و - 3 - آورده شده است.
شکل -1 فلوم آزمایشگاهی مورد استفاده
شکل -2 نمایی از دریچه کشویی
شکل - 3 نمای جانبی فلوم و آماده سازی آن
در این پژوهش 20 آزمایش با مدت زمان 8 ساعت انجام گرفت. جهت اندازه گیری دبی عبوری مدل از یک دستگاه دبی سنج صوتی - Altosonic Flow Meter - نوع UFM 610P از محصولات KROHNE با دقت 2% استفاده شده است. این دبی سنج بر اساس ضوابط استاندارد بر روی لوله ورودی آب به مخزن قرار گرفته است. به منظور قرائت تراز سطح آب وعمق جریان در آزمایشات از یک دستگاه عمق سنج نفطه ای مکانیکی - Point Gauge - با دقت 0/1 میلیمتر استفاده گردید.
با نصب یک دریچه کشویی در ابتدای کانال مستطیلی، شرایط ایجاد ارتفاع اولیه برای تشکیل جهش هیدرولیکی فراهم گردید. بازشدگی دریچه تمامی آزمایش ها ثابت و برابر 4 سانتی متر در نظر گرفته شد.
عمق مخزن رسوبات برابر 31 سانتی متر و طول آن برابر 1/8 متر در نظر گرفته شد. اندازه متوسط ماسه مورد استفاده d50=1.3 mm و انحراف معیار آن g=1.69 می باشد. چگالی مخصوص ماسه مورد استفاده در آزمایشگاه تعیین گردید و مقدار Sg=2.4 به دست آمد.
-1-2 تحلیل ابعادی
یکی از ابزارهای اولیه جهت انجام تحقیقات آزمایشگاهی ، تحلیل ابعادی است که هدف از آن تعیین نسبت های بدون بعد می باشد. بدین منظور در اولین گام بایستی متغیرهای مؤثر بر الگوی آبشستگی و جریان، مشخص شده و سپس با استفاده از تئوری باکینگهام، پارامترهای بدون بعد تعیین گردد. پس از تعیین پارامترهای بی بعد و با تغییر آن ها در آزمایشگاه، می توان نحوه تأثیرگذاری آن ها بر میزان آبشستگی، تغییرات توپوگرافی بستر و تغییرات الگوی جریان را مورد بررسی قرار داد و روابط منطقی مناسبی بین آن ها به دست آورد.
با توجه به شکل و فیزیک حاکم بر پدیده و بررسی تحقیقات محققین مختلف مهمترین متغیرهای اثرگذار بر فرایند عبارتند از : : B عرض کانال، : b طول دریچه، : Q دبی جریان، : x
متغیر آبشستگی شامل : : Z حداکثر عمق آبشستگی، : XZ موقعیت Z نسبت به سرریز، : h d حداکثر ارتفاع پشته رسوبی پایین دست حفره آبشستگی و : XD موقعیت hd نسبت به دریچه، : g شتاب ثقل، : dm اندازه ذرات رسوبی بستر، : d90 قطر ذراتی که 90 درصد مصالح از آن ریزترند، : جرم مخصوص سیال، : s جرم مخصوص رسوبات بستر، : Z ارتفاع باز شدگی دریچه، : hw ارتفاع آب بالادست دریچه، : h عمق آب پایین دست دریچه نسبت به افق و زاویه شیب فلوم. بنابرین برای هر کدام از متغیرهای آبشستگی داریم :
که در آن F نماد تابع است و بقیه پارامترها در بالا معرفی شدهاند. با استفاده از آنالیز ابعادی و رابطه - 1 - داریم :
در شکل - 4 - جانمایی متغیرهای اندازهگیری شده همراه با اسامی آنها در مورد آزمایش مذکور آمده است.
شکل -4 نمایشی از جانمایی پارامترهای آزمایش
-2-2 روند اجرای آزمایش
کف فلوم در بالادست و پایین دست آن با چسباندن ماسه ای از همان نوع به کار رفته در بازه آزمایشی1، زبر شده است تا زبری مشابه زبری مربوط به بازه آزمایشی در سراسر فلوم ایجاد شود.
