بخشی از مقاله
چکیده
روشهای متفاوتی جهت عملیات اجرایی ساماندهی رودخانهها مورد استفاده قرار میگیرند که بسته به نوع رودخانه، مورفولوژی مسیر، شرایط آب و هوایی، تأثیر بر زمین های زراعی اطراف و اهداف طرح و … انتخاب میشوند. یکی از روشهایی که در این زمینه دارای کاربرد وسیعی است، استفاده از آبشکنها در پایدارسازی و تثبیت کناره رودخانه فرسایش پذیر است.
از جمله مسائل مهم در طراحی آبشکنها، پدیده آبشستگی موضعی دماغه آن میباشد که به علت تنگ شدگی مقطع جریان و وجود گردابه های قوی بوجود می آید مشاهده تحقیقات گذشته نشان می دهد که اکثر تحقیقات بر روی آبشکنهای تیغه ای استوار بوده که اغلب بصورت آزمایشگاهی انجام شدهاست. لذا در این مطالعه آبشستگی تحت شرایط آب زلال در اطراف آبشکنT شکل متقارن و با استفاده از مدل عددی SSIIM شبیهسازی شده است. نتایج نشان داد که حداکثر عمق آبشستگی در بالادست آبشکن و در میانه های طول جان آبشکن واقع شده است.
مقدمه
ساماندهی رودخانه به مجموعه عملیات خاصی که جهت کانالیزه کردن مسیر جریان در رودخانه ها و تأمین اهداف مشخص در طول یا عرض رودخانه صورت می پذیرد، اطلاق می شود. روشهای مختلفی جهت ساماندهی رودخانهها مورد استفاده قرار می گیرند که بسته به نوع رودخانه، مورفولوژی مسیر، شرایط آب و هوایی، اهداف طرح و غیره انتخاب می شوند. از جمله این روشها می توان به خاکریزهای طولی، خاکریزهای عرضی یا آبشکنها، میان برها، شیب شکن ها، دیواره های سنگی، پوششهای گیاهی، انحراف مسیر، لایروبی، احداث بندهای کوتاه و غیره اشاره نمود.
روشهای تثبیت سواحل رودخانه از نظر نحوه اجرا به دو نوع عمده تقسیم بندی می شوند:
-1 روش حفاظت مستقیم -2 روش حفاظت غیر مستقیم آبشکنها به عنوان یکی از روشهای حفاظت غیر مستقیم سازه هایی هستند که به صورت عرضی از ساحل رودخانه به طرف محور آن و با زاویای مختلفمعمولاً عمود و یا نزدیک به عمود نسبت به ساحل و به صورت مورب نسبت به جریان تا فاصلهای به سمت درون بستر جریان امتداد مییابند. آبشکنها معمولا" به صورت یک سری متوالی و گاهی به صورت منفرد باعث انحراف آب از محل کنارهها شده و در حفاظت دیوارهای خارجی قوسها و نیز در طرحهای اصلاح مسیر و کاهش عرض رودخانه به طور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرند و با هدف انحراف جریان از ساحل فرسایش پذیر رودخانه و یا ایجاد مسیر مناسب برای هدایت جریان و کنترل سیلاب و بعضا" برقراری عمق لازم برای اهداف کشتیرانی احداث می گردند.
همچنین تله اندازی و ترسیب مواد رسوبی و استحصال اراضی حاشیه رودخانه و نقش هدایت کننده آنها در انحراف جریان به سمت دهانه های آبگیر و به ویژه در شق نهر از دیگر اهداف مورد نظر در احداث آبشکنها تلقی میشود. مکانیزم عملکرد آبشکن ها به این صورت می باشد که با هدایت جریان به سمت محور رودخانه از ایجاد جریان قوی در طول ساحل جلوگیری کرده و مانع فرسایش ساحل رودخانه میگردد.
همچنین با کم شدن سرعت جریان در محدوده بین آبشکنها، ظرفیت حمل رسوب جریان کاهش یافته و در نتیجه باعث رسوبگذاری در این محدوده می گردد. آبشکنها با کاهش دادن مقطع جریان، الگوی جریان را به طور محسوسی تحت تأثیر قرار می دهند. خطوط جریان با نزدیک شدن به سازه آبشکن آرایش خود را را تغییر داده و به تبعیت از ساختار هندسی، نوع سازه و سایر مشخصات فنی مربوط ، الگوهای متفاوتی از جریان در دماغه و میدان آبشکن پدیدار می گردد. آبشکن ها ممکن است با شکلهای مختلفی - آبشکن های مستقیم، مستقیم با دماغه گرد ، سرسپری - - T شکل، سرخم یا چوگانی و آبشکن های سرکج یا بالی - - L شکل - در پلان ساخته شوند شکل - . - 1
شکل - : - 1-1 اشکال هندسی مختلف آبشکن
احداث آبشکنها منجر به ایجاد تغییراتی در الگوی جریان میشود که مهمترین تبعات آن پدیده آبشستگی موضعی در اطراف آبشکن میباشد که ایمنی سازه را به خطر میاندازد. لذا مطالعه آبشستگی موضعی در اطراف آبشکنها و پیشبینی شکل و عمق حفره آبشستگی ضرورت پیدا میکند. یکی از شاخص های مهم در تعیین مشخصات حفره آبشستگی، حداکثر عمق آبشستگی میباشد. از کارهای عددی انجام شده توسط مدل سه بعدی SSIIM در شبیهسازی آّشکنها میتوان به تحقیقات مؤلفان زیر اشاره نمود.
- نوروزی، - 1383 با مقدار خطای ناچیز توانست آبشستگی حول آبشکن تیغهای را با استفاده از مدل عددی SSIIM شبیهسازی کند. ایشان دریافت که از لحاظ مقیاس زمانی مدل زودتر از واقعیت به عمق تعادل آبشستگی میرسد و حداکثر عمق آبشستگی با دبی جریان، طول آبشکن و عمق جریان رابطه مستقیم و با قطر مصالح بستر رابطه عکس دارد.
- عبدالهّی، - 1388 به بررسی عددی رسوبگذاری و آبشستگی موضعی آبشکن های نفوذ پذیر با مدل SSIIM برای دو حالت بستر ثابت و متحرک پرداخت و دریافت این مدل حداکثر عمق آبشستگی و گسترش حفره آبشستگی را به خوبی پیشبینی میکند. - معصومی، - 1388 به شبیه سازی عددی حداکثر عمق آبشستگی حول سری آبشکن L شکل توسط نرم افزار SSIIM پرداخت و توانست الگوی تغییرات بستر را شبیه سازی نماید و نتیجه گرفت در یک فاصله ثابت بین آبشکنها میزان عمق آبشستگی با دبی رابطه مستقیم و با فاصله بین آبشکنها و قطر ذرات رابطه عکس دارد.
- نبی بخش، - 1388 به شبیه سازی عددی آبشستگی حول آبشکن سرکج با زبانه به سمت بالادست و پاییندست با مدل SSIIM پرداختند و دریافتند حداکثر عمق آبشستگی در آبشکن سرکج با زبانه به سمت بالادست با زبانه به سمت پاییندست به ترتیب در فاصله زبانه با جداره فلوم و در محل اتصال زبانه با محور آبشکن اتفاق میافتد.
- حسینی سرقین، - 1389 به شبیه سازی عددی هیدرولیک جریان و توزیع تنش برشی بستر در خم نود درجه همگرا با مدل SSIIMپرداخت. ایشان با مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازی عددی و نتایج آزمایشگاهی نتیجه گرفتند که معادله انتقال رسوب فن راین بهترین همخوانی را هم از نظر شکل کیفی حفره آبشستگی و هم از نظر مقدار عمق آبشستگی با نتایج آزمایشگاهی دارد.
- ناجی، - 1389 به بررسی تأثیر دبی بر روی توپوگرافی بستر حول آبشکن بسته در کانال قوسی شکل با مدلSSIIM پرداخت و دریافت بین افزایش دبی و حداکثر عمق آبشستگی مسیرهای قوسی شکل رابطه مستقیمی وجود دارد.
در مطالعه حاضر الگوی جریان و آبشستگی اطراف آبشکنهای T شکل متقارن در حالت آب زلال شبیه سازی شده است. همچنین از دو فرمول دی - 2001 - 1 و بروکس - 1961 - 2 برای کاهش تنش برشی بحرانی بستر و مجاسبه ی آبشستگی حول آبشکن متقارن استفاده شده است.
مواد و روشها
مدل عددی
برای بررسی عددی پدیده آبشستگی و محاسبه تغییرات بستر، مدلهای عددی مختلفی از جمله SSIIM و Fluent ، Flow 3D توسعه داده شده است، که در این مطالعه قابلیت مدل عددیSSIIM بررسی شده است.
SSIIM مخفف عبارت Simulation In Intakes with Multiblock option Sediment میباشد .
به عبارت دیگر میتوان گفت کهSSIIM یک مدل عددی سه بعدی برای شبیهسازی حرکت رسوب در ورودیهای جریان آب با سیستم چند بلوکه است. SSIIM یک نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی است که برای استفاده در مهندسی هیدرولیک و انتقال رسوب ساخته شده است. این نرم افزار بر پایه روش حجم محدود با شبکه سه بعدی است که معادلات ناویر استوکس متوسط گیری شده زمانی را برای جریان و معادلات جابهجایی - انتشار را برای رسوب حل میکند.
در این مدل از معادلات رینولدز، شامل پیوستگی و ممنتوم برای حل میدان جریان و معادلات پیوستگی رسوب و پخش انتقال رسوب برای محاسبه تغییرات تراز بستر و محاسبه توزیع غلظت رسوب در فضای 3 بعدی استفاده شده است. مدلSSIIM برای حل جریان، معادلات ناویراستوکس را در سه بعد و با روش گسسته سازی حجم محدود3 حل میکند.
برای گسستهسازی از یک حجم کنترلی و یک روش توانی4 که یک روش مرتبه اول بالادست5 می باشد، استفاده شده است. برای انتگرال گیری در زمان نیز از یک روش ضمنی استفاده شده است. برای بدست آوردن فشارها، روش SIMPLE در همه سلول ها بجز سلولهای مجاور سطح آب مورد استفاده قرار گرفته است. برای محاسبه لزجت گردابهای از مدل k- استفاده شده است. برای سلولهای سطح، پیوستگی جریان جهت محاسبه حرکت سطح آب استفاده شده است. در سطح آب گرادیان همه متغیرها بجزK صفر است. همچنین در مرز خروجی جریان، شرط مرزی متقارن اعمال شده است. در مرز ورودی نیز مقدارمشخص سرعت ها قراردارند.
توزیع سرعت در راستای افقی یکنواخت و در راستای قائم لگاریتمی در نظر گرفته شده است. برای تعیین سرعتها نزدیک دیوارها - بستر، کناره ها و.. . - از قوانین دیواره ارائه شده توسط - 1969 - Schlichting استفاده شده است. پس از حل جریان، تنش برشی در بستر محاسبه شده و جهت مشخص کردن غلظت رسوب در نزدیکترین سلول به بستراز روی معادله Van Rijn - ، - 1987 استفاده میشود. معادله انتقال پخش برای سلولهای مجاور بستر حل نشده است و بنابراین تغییرات در بستر با حل معادله بقا، جرم برای رسوب بدست آمده است.
میدان حل
این شبیه سازی بر روی یک فلوم مستطیلی با عرض 60 سانتی متر، ارتفاع 60 سانتی متر ، طول 12 متر و با شیب کف 0/0001که آبشکنی متقارن ، صلب، غیر مستغرق و از جنس پلکسی گلاس با طول بال و جان 9 سانتیمتر و ضخامت 8 میلی-متر در فاصله 7 متری ازورودی کانال نصب شده، انجام شده است. نتایج این مدل عددی با نتایج آزمایشگاهی برداشت شده توسط شجاعی - 1390 - مقایسه شده است. این کانال در شکل - - 2 نشان داده شده است.
