مقاله روشهای تعیین اندازه قطر مناسب سنگچین در پایین دست حوضچه های آرامش

بخشی از مقاله

خلاصه

یکی از مهمترین عواملی که سبب تخریب حوضچههای آرامش میشود، آبشستگی پایاب آنها میباشد که باعث بروز مشکلاتی برای پایداری سازی میشود. هدف از مطالعات حاضر ارائه رابطه ای برای تخمین قطر سنگچین پایدار در پایاب حوضچه آرامش در پایین دست دریچههاست. برای جلوگیری از آسیب فرسایش در قسمت پایین دست حوضچه های آرامش در کف پایین دست حوضچه های آرامش از سنگچین استفاده می شود. فاکتورهای متعددی برای ثابت ماندن سنگچین در حقیقت جابجا نشدن آن موثر می باشد که از آنها می توان به شرایط هیدرولیکی و همچنین سنگچین و اندازه آن می باشد. بنابراین تعیین اندازه مناسب سنگچین در پایین دست حوضچه های آرامش مهم بوده و تحقیقاتی برای تعیین آن صورت گرفته است. برای تعیین اندازه مناسب سنگچین در حوضچه های آرامش بوسیله مدل USBR، Pilarczyk و Escarameia مطالعاتی انجام داده اند و اندازه مناسب برای آنها تعیین شد. همچنین روشهای دیگری برای تعیین اندازه سنگچین در پایین دست حوضچههای آرامش با استفاده از یک مدل آزمایشگاهی پایداری سنگچین بوسیله هشت اندازه مختلف سنگچین تحت شرایط متفاوت جریان مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس آنالیز ابعادی روابطی تجربی برای طراحی سنگچین پایدار در پایاب حوضچههای آرامش ارائه شده است.

واژه های کلیدی: آبشتگی، جهش هیدرولیکی، حوضچه آرامش، سرعت برشی، قطر سنگچین

1.    مقدمه:

آبشستگی پایین دست سازه های هیدرولیکی از مسائل عمده ای است که همواره مورد توجه مهندسین و طراحان بوده است. پیش بینی ابعاد آبشستگی و روش های کنترل و کاهش آن یکی از مواردی است که در طراحی سازه های هیدرولیکی مورد توجه قرار گرفته است. دریچهها یکی از کاربردهایی بسیاری در سازه های هیدرولیکی دارد که می تواند به تنظیم سطح آب، تخلیه رسوبات و تامین سطح آب در کانال های آبرسانی اشاره کرد. وجود پرش هیدرولیکی در پایاب دریچه ها از پدیده های بارزی است که تلاطم شدید آن سبب افزایش تنش برشی در پایاب دریچه ها شده و باعث حمل شدید مواد بستر و آبشستگی موضعی در پایاب آنها می گردد و گاهی منجر به ایجاد گودال عمیق در پایاب سازه و تخریب حوضچه آرامش می گردد. بنابراین، شناخت مشخصات پدیده آبشتگی موضعی و لحاظ کردن آن در طراحی حوضچه های آرامش دریچهها و بکار گیری روشها و تجهیزات مناسب برای حفاظت بستر پایاب، ضروری است. استفاده از سنگچین با اندازههای درشت تر از اندازه مصالح بستر در محل آبشستگی یکی از روش های متداول برای کنترل توسعه آبشستگی می باشد.

برای اینکه سنگچین بهترین عملکرد خود را داشته باشد احتیاج به بدست آوردن اندازه مناسب آن می باشد برای تعیین اندازه حوضچه و اندازه مناسب سنگچین احتیاج به بدست آوردن ظرفیت دبی، سرعت ورودی به حوضچه می باشد. معمولا جنس مواد سنگچین از سنگ های بزرگی باشد. خصوصیات سنگچین مانند اندازه سنگچین ، چگالی و شکل آنها فاکتور بسیار مهمی برای پایداری سنگچین در کف کانال می باشد بنابراین انتخاب مناسب اندازه سنگچین برای جلوگیری از فرسایش و مقابله با تنش برشی جریان آب همراه با کمترین هزینه احتیاج به انتخاب مناسبترین اندازه همراه انتخاب با کوچکترین اندازه آن می باشد.

مطالعات بسیاری در زمینه فرسایش پایین دست سازه های مختلف مانند سرریزها و غیره انجام شده است که در اغلب آنها خصوصیاتی از سنگچین مانند قطر متوسط، ضخامت لایه سنگچین و ... پایداری سنگچین ها در مقابل جریان و تاثیر خصوصیات یاد شده در پایداری انجام شده است. برای طراحی سنگچین و رسیدن به یک معیار مناسب احتیاج به تحقیقات متعدد در شرایط مختلف می باشد. در شکل 1 یک حوضچه آرامش همراه با سنگچین را مشاهده می کنیم. در دهه هشتاد مطالعات متعددی برای طراحی سنگچین در حوضچه آرامش SAF و سرریزهای پلهکانی انجام گرفت. Rice and Kadavy 1991 بوسیله مطالعات مدل برروی پایداری و تخریب سازهها با رویکرد تعیین معیار مناسب طراحی و تعیین اندازه و قرار دادن سنگچین در پایین دست سرریزهای پلهکانی انجام دادند. در 1991 یک تیم ARS و NRCS در مورد فرسایش سرریزهای خاکی تحقیق کردند.

این تیم در مورد طراحی سرریز های خاکی همراه با گیاهان آبزی آنالیز و تحقیق نمودهاند. تحقیقاتی که این تیم در مورد این سرریزها انجام دادند منجر به توسعه یک الگوریتم کامپیوتری برای طراحی سرریزهای خاکی در سال 1997 شد. Rabinson and Hanson از سال 1993 تا سال 2001 در مورد سرریزها و تخریب آنها با کار آزمایشگاهی با رویکرد فشرده کردن خاک و افزایش چسبندگی انجام دادند. مطالعات دیگری توسط Kadavy and Rice دز سال 1998 و Robinson and Kadavy در سال 1999 انجام شد. آنها معیارهایی برای تعیین مینیمم ارتفاع دیواره سازه و اندازه و جاگذاری سنگچین برای پایداری کانال پایین دست انجام دادند.

تحقیقات دیگری توسط Posey and Peterson برای آستانه حرکت اولین تکه ریپ رپ انجام شد. همچنین تحقیقاتی توسط USBR,pilarczyk,Wallingford,farhoudi and valizadegan در مورد تعیین قطر پایدار سنگچین در پایین دست حوضچه آرامش سرریز ها انجام گرفت. همچنین Peterka در مورد پایداری و شسته شدن سنگچین در پایین دست سرریزهای متعددی در آزمایشگاه و پروتوتیپ انجام داد. که در نهایت یک به یک گراف که قطر سنگچین در مقابل سرعت کف جریان بود دست یافت. همچنین او پیشنهاد کرد که اندازه مینیمم اندازه سنگچین 1,5 برابر اندازه بزرگترین دانه شن موجود در کانال باشد. همچنین آقای Pilarczyk با توجه به خصوصیات جنس بستر، شیب، سرعت و عمق جریان در جریان های توربولانس یک معادله ای برای طراحی سنگچین ، بلوک های بتنی و گابیونها پیشنهاد کرد. همچنین Escarameia نیز معادلهای برای طراحی سنگچین و بلوکهای بتنی و گابیونها بر اساس اندازه سنگچین و سرعت کف - سرعت در %10 از عمق - ، توربولانس و جنس طبیعی مواد بستر پیشنهاد داد.

2.    مواد و روشها:

روش سرعت برشی تعیین اندازه مناسب سنگچین:

فلومی که در شکل 2 نشان داده شده است فلومی است که آزمایشات را در آزمایشگاه بوسیله آن انجام شده است که ابعاد آن به شرح زیر است. طول فلوم 5,5 متر، عرض آن 29,7 سانتی متر، ارتفاع دیواره آن از کف فلوم 1,1 متر، ضخامت دریچه فلوم 2 سانتی متر، عرض آن 29,7 سانتی متر و ارتفاع دریچه 1 متر می باشد. و این فلوم دارای مخزنی برای بوجود آوردن جریان دارد. آزمایشات را با بازشدگی مختلف دریچه انجام شده است. ارتفاعهای مختلف بازشدگی دریچه برای کنترل سطح آب پایین دست فلوم نصب شده است. همچنین دبی، سرعت و فشار در طول فلوم قابل اندازه گیری می باشد.

دبی را از طریق رابطه کالیبره شده سرریز های مستطیلی محاسبه میکنیم همچنین برای محاسبه سرعت از لوله پیتوت با قطر محدود 6 میلیمتر و همچنین از پیزومترهای متعدد برای بدست آوردن فشار و عمق در طول فلوم استفاده می کنیم. از 8 نوع رودخانه مختلف برای انتخاب مصالح شنی با اندازه های مختلف از 8,75 تا 47,5 میلیمتر استفاده شد که مصالح سنگچین نیز از آنها انتخاب می شود، باقیمانده مصالح بین دو الک برای یکنواختی، تمیزی و غیر چسبندگی شسته میشود. میانگین اندازه ذرهها D50 نامیده می شود و چگالی نسبی ذرات با روش سیلندر آرچمیدس محاسبه می شود.

برای هر اندازه D50 سنگچین وزن مخصوص ذرات و انحراف معیار هندسی ذرات g تعیین شده است. تمام خصوصیات ذرات در جدول زیر نمایش داده شده است. با روش های پذیرفته شده عمق آب و سرعت میانگین بحرانی برای آستانه حرکت محاسبه شده است. مخزن مواد رسوبی را پر از مصالح سنگچین کرده همچنین دریچه ی مخزن آب را نیز به طور تدریجی باز کرده تا سرعت آب به حد محاسبه شده بحرانی برسد. در مطالعه حاضر مصالح سنگچین با ضخامتهای مختلف - حداقل 6 قطر مختلف سنگچین - و با آزمایشهای متعدد قطر های مربوط به سنگچین در حد آستانه حرکت که شروع به حرکت می کند ثبت میشود.

3.    نتایج و بحث:

در آستانه حرکت سرعت میانگین جریان یکنواخت - - Vi - بدون در نظر گرفتن پرش هیدرولیکی - در جریان با سرعت های مختلف محاسبه میشود