بخشی از مقاله
چکیده
سرریزهاي جانبی در کنار کانالها و رودخانهها احداث میشوند تا با انحراف و سرریز بخشی از جریان سیلابی موجب مهار سیلاب و کاهش خطرات آن در پایین دست شود. اگر کانال اصلی از بستر فرسایشپذیري برخوردار باشد با تغییرات موفولوژي قابل توجهی مواجه خواهد شد . در نتیجه عکسالعمل متقابل جریان و رسوب دبی جریان عبوري از روي سرریزجانبی افزایش مییابد. هدف اصلی این تحقیق بررسی تاثیر اندرکنش سرریزجانبی و بستر آبراهه فرسایشپذیر بر عملکرد این سازه در طرحهاي کنترل سیلاب با استفاده از مدلسازي عددي میباشد.
در این تحقیق از نتایج مدل آزمایشگاهی که به بررسی الگوي جریان و رسوب در محل سرریزجانبی 3متري براي دبیهاي مختلف جریان و دبی رسوب تزریقی متفاوت پرداخته است، جهت صحت-سنجی و همچنین ارزیابی دقت مدل عددي استفاده گردید. بررسیها نشان داد که در صورت طراحی سرریزهاي جانبی با استفاده از روابط تجربی فاقد اندرکنش رسوب موجب تخمین کمتر جریان عبوري از روي این سازه در مقایسه با لحاظ اندرکنش رسوب میگردد. بررسیهاي نشان داد که اندرکنش سرریزجانبی و بستر آبراهه فرسایشپذیر موجب افزایش بیش از 50 درصدي ظرفیت آبگیري سرریزهاي جانبی میشود. بنابراین عدم توجه به این مسئله موجب عدم طراحی اصولی سازههاي جانبی و در نتیجه تخریب آنها در مواقع سیلابی میشود.
-1 مقدمه
سرریز جانبی کنترل سیلاب یکی از متداولترین سازههایی است که در مناطق خشک و نیمهخشک براي کنترل و مهار سیلاب ها و مدیریت سیلاب ها و تغذیه مصنوعی سفرههاي آب زیرزمینی جایگاه ویژهاي را به خود اختصاص داده است. تخمین صحیح میزان دبی عبوري از روي سرریزهاي جانبی کنترل سیلاب احداث شده در آبراهههاي فرسایشی یکی از مسائل مهم طراحی این نوع از سازههاي هیدرولیکی میباشد. توجه به معادلات هیدرولیکی مرسوم، معمولاً طراحی این سازهها بر اساس پیش فرضهاي مربوط به طراحی سرریزهاي جانبی با آب خالص و بدون در نظر گرفتن تغییرات مورفولوژیکی بستر انجام می شود.
درحالی که این پیش فرضها در طراحی سرریزهاي جانبی کنترل سیلاب ساخته شده در داخل کشور که از شرایط بستر طبیعی فرسایشپذیر و آب داراي رسوب برخوردارند، بهندرت مصداق پیدا میکند. در نتیجه، عملکرد سرریز هاي اجرا شده در آبراهههاي فرسایشی مطابق آن چه که در طراحی مد نظر بوده نمیباشد. در حالی که سرریز جانبی کنترل سیلاب بخشی از جریان سیلابی را عبور داده و موجب کاهش ظرفیت انتقال رسوب در آبراهه اصلی و در نتیجه رسوبگذاري و افزایش تراز بستر در پایین دست سرریز جانبی میشود. کاهش سطح مقطع جریان در پایین دست سرریز جانبی موجب برگشت جریان و تحمیل تلفات انبساط و انقباض بر آن میشود.
با افزایش سطح آب در محدوده سرریز جانبی، مقدار دبی جریان خروجی از روي سرریز جانبی نسبت به دبی طراحی افزایش مییابد. بنابراین در صورت عدم پیشبینی چنین تغییراتی در طراحی سرریز جانبی، عملکرد تاسیسات جانبی را با مشکل مواجه میسازد. یکی از کاربردهاي سرریزهاي جانبی در مدیریت کنترل سیلاب - کاهش پیک جریان با استفاده از حوضههاي نگهداري یا پهنههاي سیلاب، جلوگیري از بالا آمدن دایک در مواقع پیشبینی نشده - میباشد.
هاگر [1] با صادق ندانستن فرض رابطه دبی سرریز نرمال در سرریزهاي جانبی فرمول جدیدي را براي سرریزهاي جانبی پیشنهاد نمود و اظهار داشت که ضریب شدت جریان وابسته به عوامل نسبت سرعت به عمق جریان، زاویه جریان خروجی و شکل کانال میباشد. سابرامانیا و آواستی[2] معادله دیفرانسیل عمومی جریان متغیر مکانی با کاهش دبی در یک کانال مستطیلی افقی را که در آن یک سرریز جانبی با ارتغاع صفر یا محدود را مورد توجه قرار داد و با انجام آزمایشات براي جریان زیر بحرانی و فوق بحرانی، روابطی را براي محاسبه ضریب آبگذري سرریزهاي جانبی لبه تیز ارائه نمودند.
سینگ و همکاران[3] نشان دادند که ضریب آبگذري بر عدد فرود بالادست به نسبت ارتفاع سرریز به عمق جریان بالادست سرریز نیز بستگی دارد و با استفاده از رگرسیون چند متغیره، رابطهاي براي محاسبه ضریب آبگذري بدست آوردند. برقعی و جلیلی زاده [4] تحقیق نمودند که سرریزهاي جانبی از انواع سازههاي هیدرولیکی میباشند که در سیستمهاي فاضلاب، آبرسانی و آبیاري، کنترل دبی، انحراف سیلاب و دبی مازاد رودخانهها و کانالها استفاده میشوند . با بررسی تاثیر پارامترهاي مختلف بر ضریب آبگذري نشان دادند که در جریانهاي فوق بحرانی فرض ثابت بودن انرژي مخصوص در طول سرریز صحیح نمیباشد و توصیه میشود که از معادله اندازه حرکت جهت تحلیل جریان برروي سرریزهاي جانبی استفاده شود.
فرارویی و همکاران [5] اثر شیب جانبی دیواره کانال اصلی و ارتفاع سرریز جانبی را روي ضریب آبگذري سرریز جانبی بررسی نمودند و مدل ریاضی براي تعیین آن در کانال ذوزنقه اي ارائه نمودند. در این تحقیق شرایط جریان در شرایط باز بودن و بسته بودن انتهاي کانال اصلی به صورت آزمایشگاهی و ریاضی بررسی گردید و مشخص گردید که برخی از روابط ارائه شده در تحلیل جریان در کانالهاي با انتهاي باز همچون سوبرامانیا و آواستی [2] قابلیت پیشبینی جریان در شرایط بسته بودن انتهاي کانال اصلی را ندارند و روابط ارائه شده توسط سینگ و همکاران [3] و مدل توسعه داده شده توسط آنها نیز با ضریب همبستگی حدود 65 درصد قادر به پیشبینی مشخصات جریان بر روي سرریزهاي جانبی کانالهاي با انتهاي بسته میباشند.
اما در عین حال توصیه نمودهاند تا با توجه به شرایط خاص حاکم بر جریان در چنین شرایطی - سرریزجانبی در کانال با انتهاي بسته - ، مدل مفهومی مناسبتري توسعه داده شود. روزیر [6] اثر تغییرات بستر بر میزان جریان خروجی از سرریزهاي جانبی کنترل سیلاب را به صورت آزمایشگاهی بررسی نمود. مطابق شکل -1 الف مجموعه آزمایشگاهی تهیه شده در این تحقیق متشکل از یک کانال اصلی مستطیلی با بستر رسوبی و همچنین یک کانال جانبی تخلیه جریان سرریزي بود که آزمایشها را با یک سرریز جانبی با طول 3 متر در دیواره راست کانال انجام داد. لازم به توضیح است که آزمایشها در شرایط باز بودن انتهاي کانال اصلی صورت گرفته است.
نتایج آزمایشها نشان داد که به دلیل شکلگیري الگوي خاصی از جریان در محدوده سرریز بویژه بخش انتهایی آن، تغییرات قابل ملاحظهاي در پروفیل بستر شکل میگیرد - شکل -1 بکه - عمدتاً با افزایش تراز بستر در پایین دست سرریز همراه میباشد. رخداد چنین پدیدهاي منجر به پسزدگی جریان و تغییر الگوي جریان در محدوده سرریزجانبی کنترل سیلاب میگردد که افزایش میزان آبگیري سرریز جانبی یکی از آثار آن میباشد.
بررسی اثر چنین تغییراتی بر خصوصیات هیدرولیکی سرریزهاي جانبی کنترل سیلاب احداث شده در آبراهههاي فرسایشی مستلزم اندازهگیري میدانی و یا تهیه مدل آزمایشگاهی و یا مدل ریاضی می باشد. با توجه به زمانبر و هزینهبر بودن عملیات میدانی و تهیه مدلهاي آزمایشگاهی، امروزه استفاده از روشهاي عددي در محاسبات کامپیوتري اهمیت زیادي داشته و به عنوان ابزاري کارآمد در طراحی سازههاي مهندسی بهکار میرود. علم دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - به صورت یک ابزار توانا براي تحلیل رفتار جریان سیال و انتقال حرارت در سیستمهاي با هندسه ناموزون و معادلات حاکم پیچیده براي محققان و مهندسان درآمده و در دهه گذشته پیشرفت چشمگیري داشته است.
در دهه 1980 حل مسایل جریان سیال توسط روش CFD، موضوع حوزه تحقیق محققان و متخصصان شبیهسازي درآمده و نرمافزارهاي تجاري زیادي بوجود آمده است. با توجه به اینکه تاکنون تاثیر اندرکنش سرریزجانبی و بستر آبراهه فرسایشپذیر بر عملکرد این سازه در طرحهاي کنترل سیلاب بهصورت جامع انجام نشده است. لذا در مقاله حاضر از مدلسازي عددي بدینمنظور استفاده خواهد شد.
در تحقیق حاضر جهت ارزیابی قابلیتهاي یک مدل دو بعدي شبیهساز جریان آب و رسوب در پیش بینی اثر تغییرات موفولوژیکی بستر بر خصوصیات هیدرولیکی سرریزهاي جانبی کنترل سیلاب احداث شده در آبراهههاي فرسایشی - بر گرفته از مطالعات آزمایشگاهی روزیر - [6] از مدل CCHE2D استفاده شده است و نتایج حاصل از آن با نتایج مدل آزمایشگاهی موجود مقایسه گردیده است.
الف- مدل آزمایشگاهی کانال اصلی
ب- نقشه ساده اي از تغییرات فرم بستر در محدوده سرریز سرریز جانبی جانبی
-2 مواد و روشها
به منظور دستیابی به اهداف مقاله حاضر ابتدا در این مرحله مشخصات مدل عددي مورد استفاده معرفی و سپس مشخصات مدل آزمایشگاهی تعیین شده و با بهره گیري از نتایج مدل آزمایشگاهی به صحتسنجی مدل عددي و ارزیابی نتایج پرداخته شده که در ادامه به تشریح مراحل فوق پرداخته شده است.
-1-2 مشخصات مدل عددي و معادلات حاکم بر جریان
مدل عددي CCHE2D در سال 1997 در مرکز ملی هیدرولیک محاسباتی و مهندسی دانشگاه می سی سی پی آمریکا تهیه گردید. این مدل نسخه دوبعدي و تکامل یافته مدل CCHE1D میباشد که جهت شبیهسازي هیدرودینامیک جریان و انتقال رسوب در کانالهاي روباز توسعه یافته است.
