بخشی از مقاله
خلاصه
در پروژه های آبی تخمین دبی جریان برای محاسبات پروفیل سطح آب بسیار حائز اهمیت می باشد. بطور کلی دبی جریان در رودخانه های شنی به مقاومت جریان وابستگی زیادی دارد. روش های مختلفی برای تخمین ضریب زبری توسط افراد مختلفی ارائه شده است . در هیدرولیک رودخانه ها بدلیل متحرک بودن بستر، مقاومت در مقابل جریان یا ضریب زبری متغیر می باشد. در این حالت نمی توان یک فرمول مقاومت جریان را بطور مستقیم و بدون آگاهی از نحوه تغییر ضریب مقاومت، در شرایط مختلف جریان و رسوب بکار برد. در این تحقیق رودخانه بابلرود به عنوان مطالعه موردی انتخاب شده است و با استفاده از روابط تجربی و همچنین روش مستقیم ،زبری مانینگ محاسبه و نتایج آن با یکدیگر مقایسه می شود .
مقدمه
برای تعیین ضرایب زبری بسترهای آبرفتی، مطالعات وسیعی توسط محققین مختلف صورت گرفته است که نتایج اغلب آنها با یکدیگر متفاوت هستند. بسیاری از این مطالعات بر اساس داده های محدود آزمایشگاهی استوار بوده اند. در مورد قابلیت کاربرد و صحت نتایج آزمایشگاهی برای شرایط صحرائی، اطمینانی وجود ندارد. عدم وجود یک روش جامع و قابل اعتماد برای پیش بینی تغییرات ضریب زبری، امر مطالعه هیدرولیک رودخانه ها را مشکل ساخته است.
از جمله مباحثی که در هیدرولیک رودخانه ها مورد توجه مهندسین و محققین بوده است بررسی دقیق در شکل گیری جریان و نحوه تغییرات آن در بستر و طول مسیر می باشد. با توجه به این مطلب روابط متعددی پیرامون مقاومت جریان و تعیین سرعت متوسط در کانال ها ارائه شده است. در محاسبات هیدرولیکی کانال های باز، ضریب مانینگ1 با توجه به وضعیت کانال مورد مطالعه به عنوان یکی از اطلاعات اولیه ی طراحی تخمین زده می شود .
معروفترین معادله ضریب زبری، معادله مانینگ است. این معادله در سال 1889 توسط یک مهندس ایرلندی به نام مانینگ ارائه شد وی نشان داد که در معادله شزی , ضریب شزی با رابطه مستقیم دارد و بعدها به این نتیجه رسید که ضریب این تناسب می باشد که در نهایت با جایگذاری این ضریب در معادله شزی معادله مانینگ بصورت زیر ارائه شد. - - Yang, 1996 و از تلفیق این معادله با معادله پیوستگی - - Q=A.V، نهایتاً معادله زیر را ارائه داده است. که این معادله کاربرد فراوانی در طراحی هیدرولیکی کانال های باز دارد. در این معادله، Q ، دبی جریان بر حسب متر مکعب بر ثانیه، A ، سطح مقطع جریان بر حسب متر مربع، R ، شعاع هیدرولیکی مقطع جریان بر حسب متر، S ، شیب طولی کانال و بدون بعد، n ، ضریب زبری بستر کانال که دارای دیمانسیون می باشد.
روش های تعیین ضریب زبری مانینگ:
ضریب زبری، کلیه عوامل موثر در مقاومت بستر کانال را در خود مستتر دارد و همچنین از تشابه فرمول دارسی-ویسباخ مشاهد می شود که این ضریب شدت افت انرژی را در یک جریان نشان می دهد. در محاسبات هیدرولیکی کانالهای باز، ضریب n باید با توجه به وضعیت کانال مورد مطالعه به عنوان یکی از اطلاعات اولیه طراحی تخمین زده شود.در زیر انواع روشهای معمول در برآورد مقدار ضریب n آورده شده و در مورد هر روش توضیح داده می شود.
-1 تصاویر و اسلاید هایی از کانال ها مختلف همراه با توضیحات لازم تهیه شده است که ضریب n در این کانال مشخص می باشد. از طریق مقایسه کانال مورد مطالعه با این تصاویر می توان ضریب n را تخمین زد.
-2 استفاده از جداول کمکی که عملی ترین روش در برآورد مقدار n می باشد. نمونه هایی از این جداول همراه با توضیحات لازم توسط دفتر تحقیقات و معیار های فنی و بودجه در مبحث هیدرولیک کانالها ارائه گردیده است. همچنین تصاویری از کانال ها و نمونه دیگری از جدول ارائه شده، در کتاب هیدرولیک کانال های باز نوشته چاو - 1959 - 1 وجود دارند که در تخمین ضریب n مفید می باشند .
-3 ضریب زبری، کلیه عوامل موثر در مقاومت بستر کانال را در خود مستتر دارد. راه مناسب در تخمین صحیح تر ضریب مانینگ، شناخت عوامل موثر در این ضریب می باشد. این عوامل عبارتند از زبری بستر کانال ، نا منظمی سطح مقطع، پوشش گیاهی - نوع و میزان تراکم آن - ، شکل مسیر - مستقیم و مارپیچ بودن آن - ، وجود موانع در مسیر جریان و حتی عمق و دبی جریان، که عوامل موثر در افت طولی در مسیر جریان، تا حدودی در برگیرنده افت های ناشی از تغییر شکل جریان - افت های موضعی - نیز می باشد.
که در آن ،n0 ، یک ضریب زبری پایه است که با توجه به جنس کانال برای کانال یکنواخت و صاف و مستقیم انتخاب می شود. ضرایب اصلاحی m5,n4,n3,n2,n1 به ترتیب در برگیرنده اثرات نامنظمی سطح مقطع، چگونگی تغییرات سطح مقطع، وجود موانع در مسیر کانال، پوشش گیاهی و درجه مارپیچی بودن مسیر می باشد. کاون ضمن تفسیر وضعیت کانال در انتخاب ضرایب مذکور جدولی نیز جهت انتخاب این ضرایب ارائه نموده است. - حسینی، - 1381
-4 روش دیگر محاسبه مقدار ضریب زبری مانینگ در آبراهه های طبیعی، تخمین مقدار آن از طریق اندازه گیری های سرعت می باشد. علت این امر تبعیت میزان سرعت جریان نسبت به زبری محیط سطح مقطع می باشد. بر این اساس اگر سرعت در 0.2d با u0.2 و سرعت در 0.8d با u0.8 نشان داده شده بر حسب متر بر ثانیه اندازه گیری شود، مقدار ضریب زبری مانینگ از رابطه زیر قابل محاسبه خواهد بود . در این رابطه،d ، عمق بر حسب متر می باشد و مقادیر 0.2d و 0.8d نسبت به کف بستر سنجیده می شوند. این رابطه برای برآورد مقدار n در کانال های عریض که دارای توزیع لگاریتمی سرعت در امتداد قائم هستند، مفید است. در مورد یک جریان طبیعی، مقدار d را میتوان میانگین عمق در نظر گرفت.
-5 روش دیگر تعیین n، به خصوص در مورد رودخانه ها، استفاده از روابط تجربی مخصوص مهندسی رودخانه ها است. این روابط عموماً به قطر ذرات تشکیل دهنده جدار و بستر آبراهه بستگی دارند.
