بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعیین میزان رسوبگذاري و پروفیل سطح آب در سازههاي سنگریزه اي
چکیده
سنگریزه یکی از مصالح مورد استفاده در سازههاي هیدرولیکی است. محاسبات پروفیل سطح آب و میزان حجم رسوبگذاري در طراحی و ارزیابی عملکرد بسیاري از سازههاي هیدرولیکی سنگریزهاي لازم میشود. در این تحقیق از روش آزمایشگاهی و با استفاده از دو سنگریزه نفوذپذیر با مقطع ذوزنقهاي با طول تاج 20 سانتیمتر و ارتفاع 5 سانتیمتر به بررسی تعیین میزان رسوبگذاري و پروفیل سطح آب پرداخته شد. نتایج نشان داد میزان رسوبگذاري بترتیب در پشت سنگریزه اول و دوم با شیب بستر کانال 3 درصد، بترتیب 1/94 و 1/3 برابر بیشتر از شیب بستر کانال 2 درصد میباشد و میزان ارتفاع سطح آب با افزایش دبی در هر دو سنگریزه اول و دوم افزایش پیدا کرده است.
واژههاي کلیدي: پروفیل سطح آب ، رسوبگذاري، سنگریزه نفوذپذیر، مدل آزمایشگاهی
دستاوردها و نوآوري تحقیق
عموماً استفاده از سازهي سنگریزه در سازههاي هیدرولیکی و سامانه هاي آبیاري و زهکشی به منظور کنترل سرعت جریان و کاهش فرسایش و تخریبها منجر به طراحی و اجراي آنها شده است. از نگاهی، اجراي سازه پیشنهادي سنگریزه در بستر رودخانهها، کانالهاي طبیعی و مصنوعی، عاملی بر افزایش نفوذپذیري خواهد بود. مطالعههاي پیشین نشان می دهد که این سازهها در سامانههاي آبیاري و زهکشی و سامانه هاي آب و فاضلاب در بسترهاي نفوذ ناپذیر اجرا شدهاند.
مقدمه
رودخانهها را از لحاظ ظاهري به سه دستهي مستقیم، پیچانرودي و شریانی و بر اساس بیلان رسوبی به رودخانههاي رسوبگذار، فرسایشی و متعادل تقسیم میشوند. همچنین رودخانهها از لحاظ جریان به رودخانههاي دائمی، غیر دائمی ( خشکهرود )، فصلی، جذر و مدي و میرا تقسیم میگردند. با توجه به مسئله کمبود آب در اکثر کشورها، می توان از طرحهاي تغذیه مصنوعی به عنوان راه حل بهینه براي مقابله با بحران آب، بهره جست. تغذیه مصنوعی عبارت است از وارد کردن آب به یک سازه نفوذپذیر با هدف تغذیه سفره آب زیرزمینی و به منظور استفاده مجدد از آن با رژیم و کیفیتی متفاوت و به وسیله ایجاد تأسیسات اضافی یا تغییراتی در شرایط طبیعی منطقه است. در جریان سیلابها، در خشکرودها و یا رودخانههاي فصلی با مقطع عریض و یا سیلابدشتی، با عبور سیلاب در مدت زمان کوتاه، فرصت کافی جهت تغذیه مصنوعی مهیا نمیشود. همچنین در جریان هاي ثابتعموماً( فصلی) که زمان طولانیتري نسبت به زمان سیلابی در بستر رودخانه جاري میشوند نیز با توجه به شرایط شریانی شدن جریان، (بصورت نهرهاي کوچکی در قسمتهایی از بستر رودخانه جریان ادامه پیدا می کند) و بالا بودن سرعت جریان (با توجه به شیب طولی) بازهم فرصت تغذیه مهیا نمیشود. یکی از راهحلهایی که جهت کاهش شیب طولی، تسطیح عرضی مقطع رودخانه، کاهش سرعت طولی جریان و در نهایت توسعه سطح نفوذ مطرح میباشد، استفاده از سنگریز آزاد1 یا همان سنگریز کم ارتفاع خاکی (سنگدانهاي) است. یکی از سازههاي پخش جریان بستر رودخانه سازههاي سنگریز نفوذپذیر2 هستند، که علاوه بر پایداري بستر رودخانه در پخش جریان در بستر رودخانه نیز نقش دارند. سنگریزها از قرار گرفتن سنگهایی با مقاومت نسبی تشکیل می شوند. ارتفاع سنگریزها بنا به تعریف کاربردي آنها کم انتخاب می شود.[7] استفاده از سنگریزه به عنوان مصالح ساخت در بسیاري از سازههاي هیدرولیکی نظیر سدهاي سنگریزهاي، گابیونها، سرریزها، موجشکنها امري متداول است. دلیل این امر را میتوان ارزانی، هماهنگی با شرایط محیط طبیعی و ویژگیهاي هیدرولیکی به دلیل متخلخل بودن محیط ذکر نمود.[2]
پیشینه تحقیق
لنزي وآگوستینو (2000) به منظور یافتن شباهت بین مورفولوژي پله حوضچههاي واحدهاي فیزیوگرافی و سازههاي تثبیت سنتی، مراحل طراحی بندهاي تنظیمی پارهسنگی را به دقت بررسی کردند و مشخص شد پروفیل طولی پله حوضچهاي رودخانه شبیه به یک سري بندهاي تنظیمی است.[3] همچنین لنزي و همکاران (2002) به منظور اثر مصنوعی این سازههاي بتنی، پیشنهاد کردند که این سازههاي بتنی به بندهاي تنظیمی که از تخته سنگ درست شدهاند تبدیل شوند.[4] ماریون و همکاران (2004) در رودخانههاي کوهستانی و در شرایط واقعی جریان بالادست که حاوي رسوب باشد، میزان آبشستگی تغییري نمیکند. به عبارتی با تأمین رسوب بالادست، پتانسیل آبشستگی در طول جریانهاي سیلابی به طور قابل ملاحظهاي کاهش مییابد، همچنین ماریون و همکاران (2004) نشان دادند، در رودخانههاي کوهستانی با شیب بیش از %4-%3 ، کاهش ارتفاع3 هر سازه یا به عبارت دیگر همان پرش مورفولوژیک و انرژي مخصوص در آستانه مهمترین کمیت فیزیکی در کنترل آبشستگی محسوب میشود.[6] پرتانی و همکاران
(1387) به بررسی عملکرد هیدرولیکی سازه هاي آبخیزداري و ساماندهی رودخانه (کف بندها و روگذرها) درهگاهان تفت پرداختند.[1]
آنها طول مسیر جریان را پس از مطالعههاي هیدرولوژیکی و محاسبات اطلاعات پایه مورد نیاز و سیلاب هاي طرح، هیدرولیک جریان در دو حالت با و بدون وجود سازه هایی مذکور مورد تحلیل قرار دادند. در هر یک از شبیهسازي هاي هیدرولکی رودخانه سرعت جریان، عددفرود، پتانسیل و قدرت کف کنی، تحلیل امکان سنجی فرسایش جانبی در فواصل مؤثر قبل و بعد از سازه و روي محور سازه مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. همچنین عمق و نوع جریان و منشأ تغییرات ژئومورفولوژیکی مسیر رودخانه نیز که متأثر از ساز ههاي مذکور بوده است مورد مطالعه قرار گرفت. در پایان به ارزیابی کلی انواع این سازه ها و نقش آنها در کنترل جریان و حفاظت بستر وکنارههاي رودخانهها پرداختند.
محاسبه حداکثر عمق آبشستگی در پایین دست سنگریزهها:
لنزي (2002) براي رودخانه ها با شیب کم عمق حفره آبشستگی (Zs) مطابق شکل 1 به صورت رابطهي (1) ارائه داد:[5]
همچنین طول استخر ایجاد شده (lp) بر اساس آزمایشهاي صورت گرفته روي شن به صورت رابطهي (2) ارائه شده است:
براي رودخانه ها با شیب تند (Zs) از رابطه (3) محاسبه می شود:[5]
همچنین طول استخر ایجاد شده (lp) در رودخانه هاي با شیب تند صورت رابطهي (4) ارائه شده است:[5]
در روابط بالا : (lp) طول حوضچه آبشستگی، :(Zs) عمق آبشستگی در پایین دست سازه که از لبه سازه تا پایین ترین نقطه در حفره آبشستگی اندازه گیري میشود، :(HS) انرژي مخصوص جریان بحرانی از روي سرریز، :(q) دبی در واحد عرض عبوري از سرریز، : (g)
شتاب ثقل، :a1 پرش موفولوژیک مطابق رابطه زیر محاسبه می شود a1=(S0 ‐ Seq)ls ، :(ls) فاصله افقی بین سرریزها، :(Seq) شیب تعادلی بعد از آبشستگی است که از رابطه (5) تخمین زده میشود.
در این رابطه تنش برشی بدون بعد یا ثابت شیلدز می باشد که با استفاده از قطر ذرات محاسبه خواهد شد دانستیه نسبی
مستغرق مواد بستر میباشد. :D50 قطر میانه مواد بستر می باشد. آزمایشهاي لنزي (2002) در شرایط
اعمال شد.
محاسبات پروفیل سطح آب در سازههاي سنگریزهاي
براي محاسبه پروفیل سطح آب در سازههاي سنگریزهاي، از معادله یک بعدي حاکم بر جریان در کانالهاي آب استفاده میشود که در آن از معادلات جریان در سازههاي سنگریزهاي براي محاسبه شیب اصطکاکی استفاده میشود . این معادله عبارت است :
که در آن، (x) فاصله در طول مسیر، (y) عمق آب، so شیب طولی مسیر، (i) گرادیان هیدرولیکی (معادل شیب اصطکاکی)،
(Q) دبی جریان، (A) سطح مقطع جریان، (n) تخلخل (نسبت حجم فضاي خالی توده خاك به حجم کل توده خاك) و (T) عرض سطح آزاد آب، میباشند. گرادیان هیدرولیکی به خواص فیزیکی محیط متخلخل بستگی دارد و براي محاسبه آن در عمل از روابط تجربی استفاده میشود.[2]
در این تحقیق به روش آزمایشگاهی به بررسی تعیین میزان رسوبگذاري و پروفیل سطح آب در سازههاي سنگریزهاي پرداخته شد.
مواد و روشها
آزمایشهاي این تحقیق در پژوهشکده حفاظت خاك و آبخیزداري انجام شد. آزمایشها در فلوم مستطیلی به عرض 0/45 متر، طول 10 متر و ارتفاع 0/7 متر از جنس مصالح بتنی انجام و از مصالح ریزدانه با D50=4/8 میلیمتر و با ضریب یکنواختی Cu=12 و
انحراف از معیار 3/5 (g) در بستر کانال استفاده شد. در شکل 2 منحنی دانهبندي مصالح مورد استفاده در بستر کانال مشاهده می-
گردد.
شکل-2 منحنی دانهبندي
در این تحقیق از دو سنگریزه نفوذپذیر با مقطع ذوزنقه و با عرض تاج 20 سانتیمتر، عرض کف 50 سانتیمتر، ارتفاع 5 سانتیمتر و با شیب بدنهي 1:3 (افقی : عمودي) به فاصله 3/70 متر از یکدیگر استفاده گردید که در عرض کانال به طور منظم روي هم چیده شدند. شکل 3 نمایی شماتیک از سنگریزهي نفوذپذیر در طول کانال را نشان میدهد. براي سنگریزههاي نفوذپذیر از مصالح درشت-
دانه رودخانهاي رد شده از الک به ابعاد 3/8*3/8 سانتیمتر و مانده روي الک به ابعاد 2/5*2/5 سانتیمتر مورد استفاده قرار گرفت.
شکل 4 نمایی از سنگریزههاي نفوذپذیر در فلوم مستطیلی را نشان میدهد.
شکل-3 نمایی شماتیک از جانمایی سنگریزهها در طول فلوم
شکل-4 نمایی از سنگریزههاي نفوذپذیر در طول فلوم
6
آزمایشها با چهار دبی 4، 6، 8 و 10 لیتربرثانیه و با شیب بستر کانال 2 و 3 درصد انجام و از دوربین نیوو براي تنظیم شیب بستر کانال استفاده گردید. براي اندازهگیري پروفیل بستر از پروفایلر با دقت 0/1 میلیمتر و براي اندازه گیري سطح آب روي سازه سنگریزه و همچنین اندازهگیري ارتفاع آب روي سرریز مستطیلی از پوینت گیج با دقت 0/1 میلیمتر و براي تأمین آب از یک پمپ پرهاي با توان
1/5 اسب بخار، دبی اسمی 50 لیتر بر ثانیه و براي اندازهگیري دبی از سرریز مستطیلی با طول تاج 60 سانتیمتر استفاده شد.
نتایج و بحث
در شکل 5 پروفیل طولی بستر با شیب 2 درصد و در شکل 6 پروفیل طولی بستر با شیب 3 درصد در محور مرکزي کانال براي تأثیر سنگریزه نفوذپذیر بر حجم رسوبگذاري و فرسایش بستر کانال را نشان میدهد. مشاهده میشود که با افزایش دبی میزان فرسایش بستر کانال بیشتر و به همان ترتیب حجم رسوبگذاري در پشت سنگریزهها بیشتر میشود. در نمودار زیر (Z) عمق مصالح بستر کانال،
(X) فاصله از ابتداي کانال میباشد.
