بخشی از مقاله
چکیده
سرریز سدها سازههایی هستند که جریان را بهطور صحیح به پاییندست انتقال میدهند. هرگاه شرایط توپوگرافی محدود باشد سرریز اوجی با انحنا در پلان مورد استفاده قرار میگیرد. در این تحقیق مدل فیزیکی سرریز سد گرمیچای که از نوع اوجی و با انحنا در پلان و با دیوار جانبی همگرا در مقیاس 1:50 ساخته و اندازهگیری سطح آب روی تاج سرریز، با هشت دبی انجام و ضریب دبی عبوری محاسبه گردید. در دبیهای 0/63 1/13، ضریب دبی روند صعودی داشته و در دبیهای 1/13< 1/51، بدلیل استغراق سرریز، ضریب دبی کاهش مییابد که مقدار میانگین ضریب دبی در حالت مستغرق برابر 1/30 میباشد.
.1 مقدمه
ظرفیت جریان یک سرریز تا حد زیادی به طول سرریز و شکل تاج دلالت دارد. سرریز با انحنا در پلان چند مزیت نسبت به سازههای سرریز مستقیم دارند. سرریز با انحنا در پلان افزایش طول تاج برای یک عرض ثابت فراهم میکند، بدین وسیله افزایش ظرفیت برای هد بالادست را میدهد. نتیجه افزایش ظرفیت جریان این است که سرریز به ارتفاع آزاد کمتر در مخزن بالادست نسبت به سرریزهای خطی دارد، که به مسیر سیلاب و افزایش ظرفیت ذخیره مخزن تحت شرایط جریان کمک میکند.
برای کنترل ارتفاع آب بالادست و افزایش ظرفیت جریان، سرریزهای با انحنا در پلان، اغلب یک طراحی مطلوب هستند. برای طراحان، یک طراحی بهینه برای مکان ویژه، میتواند سخت باشد، بدلیل اینکه دادههای طراحی برای خیلی از متغیرهای طراحی هندسی محدود است
برای تعیین دبی آب عبوری از بالای سرریز اوجی از فرمول - 1 - استفاده میشود:
√ × × - 1 - که =Q دبی سرریز؛ =Cd ضریب دبی؛ =g شتاب ثقل؛ =L طول تاج سرریز؛ =H ارتفاع سطح آب روی تاج.
.2 پیشینه تحقیق
رفتارجریان بر روی سرریزها بهطورگستردهای از اوایل 1950توسط سازمان مهندسین ارتش آمریکا - 1USACE - انجام شد
برادلی در سال 1945، چهار نوع مشخص برای جریان روی سد با پروفیل اوجی را تعریف میکند. جریان نوع یک جریان سریع فوق بحرانی روی سرریز؛ جریان نوع 2، یک پرش هیدرولیکی ثابت روی سرریز؛ جریان نوع 3، یک پرش مستغرق و جریان نوع 4 استغراق سرریز را توصیف میکند
کسیدی در سال 1965 ضریب دبی، توزیع فشار و نیمرخ سطح آزاد آب را به روش تخفیفی برای یک شکل خاص از سرریز بهدست آورد که نتایج حاصله از تحلیل عددی جریان بر روی سرریز با نتایج آزمایشگاهی تقریبا یکسان بوده و نتیجه حاصل از این تحقیق بیانگر تاثیر کم و ناچیز لزجت در تعیین سطح آزاد بود
سویج و جانسون در سال 2001 یک مطالعه برای مقایسه پارامترهای جریان در یک سرریزاوجی استاندارد بدون در نظر گرفتن پایاب، با استفاده از مدل فیزیکی، مدل ریاضی و سوابق پژوهشی موجود انجام دادند. درنهایت یک هماهنگی قابل قبول بین مدلهای فیزیکی و عددی مشاهده شد .
چاتیلا و تابارا در سال 2004 یک مدل محاسباتی از جریان روی سرریز اوجی را بررسی کردند. در این تحقیق به بررسی پروفیلهای منظم جریان روی سرریز اوجی، با اندازه-گیری سطح آزاد سیال برای چندین تراز جریان روی سرریز به عنوان سطوح مبنا در آزمایشگاه، پرداخته شد. در نهایت نشان داده شد که سطوح آزاد جریان پیشبینی شده توسط این مدل یک هماهنگی خوبی با ویژگیهای جریان روی سرریزها و همچنین با پروفیلهای اندازهگیری شده جریان در تمام بدنه سرریز دارد
درگاهی در سال 2006 به مطالعه آزمایشگاهی و شبیهسازی سهبعدی برای سرریز با جریان آزاد پرداخته است. در این تحقیق پروفیل سطح آب و ضرایب دبی برای مدل آزمایشگاهی با دقت 1/5 تا 2/9 درصد، وابسته به هد آب موجود روی سرریز، پیشبینی شد
جانسون و سویج در سال 2006 به مقایسه عددی و فیزیکی جریان روی سرریز اوجی با در نظر گرفتن پایاب پرداختند و اطلاعات بهدست آمده از دو مدل فیزیکی را با نتایج حاصل از بررسی عددی دو سرریز اوجی تاجدار مقایسه کردند. در این تحقیق پروفیل سطح آب و ضرایب دبی برای مدل آزمایشگاهی با دقت 1/5 تا 2/9 درصد، وابسته به هد آب موجود روی سرریز، پیشبینی شد
تولیس و نیلسون در سال 2008 عملکردسرریز اوجی مستغرق و روابط دبیاشل آن را مورد بررسی قرار دادند. از نتایج این تحقیق میتوان به این مطلب اشاره کرد که برای درجه استغراقهای کمتر از 0/8، دادههای دبیاشل در حالت مستغرق با استفاده از رابطهی دبیاشل در حالت آزاد به بهترین حالت پیشبینی میشود
هانت و همکاران در سال 2008 اثر همگرایی دیوارههای جانبی سرریز را در سرریزهای پلهای بتن غلتکی بررسی کردند. نتایج بهطور کلی نشان داد رفتار جریان در دو جناح سرریز مشابه است؛ امواج عرضی در طول بدنه سرریز وجود ندارد؛ پروفیل سطح آب نشان داد عمق جریان در کناره دیواره به سرعت در ابتدای بخش همگرا افزایش یافته و به تدریج کاهش مییابد که این افزایش در عمق با بزرگتر شدن زاویه بیشتر میشود
خسروجردی در سال 1376، سرریزهای لبهپهن را در حالت مستقیم و قوسدار - حالت منحنی - مورد مطالعه قرار داد. برای اولین بار بحث انحنای محور سرریز که باعث افزایش طول سرریز میشود توسط ایشان مورد مطالعه قرار گرفت و نشان داده شد که عامل قوس محوری علاوه بر پایداری سازهای در جهت بالادست، باعث افزایش ضریب آبگذری سرریز میشود
خسروجردی و مهرجردی در سال 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
تحقیقات انجام شده درباره سرریز اوجی با تاج مستقیم بوده و تحقیق اندکی روی سریز با انحنا در پلان و با دیواره همگرا انجام شده است. این تحقیق به روش آزمایشگاهی به تعیین ضریب دبی روی سرریز اوجی با انحنا در پلان و با دیوارههای جانبی همگرا میپردازد.
.3 مواد و روشها
آزمایشهای این پژوهش در پژوهشکدهی حفاظت خاک و آبخیزداری تهران با استفاده از مدل فیزیکی سرریز اوجی سد گرمیچای میانه در مقیاس 1:50 انجام شد. در این مدل از مخزنی به ابعاد 2/0 متر طول و 1/80 متر عرض و 1/20 عمق و از جنس مصالح بنایی و یک حوضچه آرامش به ابعاد 2/0 متر طول و 1/30 متر عرض و عمق 0/6 متر و در ادامه حوضچه آرامش، فلومی به طول 1/5 متر، عرض 0/6 متر و عمق 0/6 متر 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. سرریزها بوسیله دستگاه تراشکاری CNC با دقت 0/05 میلیمتر از بلوک با جنس تفلون طبق نقشه تراشیده و ساخته شد. دیواره جانبی و کانال پاییندست سرریز از پلکسیگلاس ساخته شد. آزمایشها با هشت دبی 14/14، 16/97، 19/12، 22/62، 25/46، 28/28، 31/11 و 33/94 لیتر بر ثانیه آزمایش و برای اندازهگیری ارتفاع سطح آب در مخزن - در فاصله 4 تا 5 برابر H از لبه تاج به سمت بالادست- 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. در شکلهای 3 و 4 نمایی از مدل فیزیکی سرریز با مقیاس 1:50 را نشان میدهد.
شکل .1 پلان سرریز و کانال پاییندست - ابعاد به سانتیمتر -
شکل .2 مقطع سرریز - ابعاد به سانتیمتر -
