بخشی از مقاله
چکیده
کنترل حفره آبشستگی در پایاب سرریزهای ریزشی آزاد واقع بر روی بدنه سدهای بتنی-قوسی یکی از مسائل مهم در طراحی این گونه از سرریزها میباشد. ساخت یک سد کوتاه در پاییندست سد بلند برای بالابردن تراز سطح آب در پایاب و لذا مهار حفره آبشستگی یکی از روشهای کاربردی و معمول در نزد طراحان به شمار میرود.
در مقاله حاضر با آزمایشهایی که بر روی مدل فیزیکی یک سد بتنی بلند انجام شد، موقعیت قرارگیری و ارتفاع لازم برای سد پایاب تعیین شد. در ادامه مشخص شد که با نصب بلوکهای شکافنده جریان بر روی سرریز میتوان ضمن کاهش عمق حفره آبشستگی، ارتفاع سد پایاب را کاهش داده و به این ترتیب هزینههای طرح را کاهش داد.
مقدمه
در سدهای بتنی-قوسی بلند که مجهز به سرریزهای ریزشی آزاد بر روی بدنه هستند، این مساله ضروری است که انرژی جریان گذرنده از سرریز به یک روش ایمن و کنترل شده مستهلک شود. گسترش حفره آبشستگی در پاییندست سدهای بلند به هنگام گذر سیلابهایی با دبیهای بالا، میتواند پایداری سد را به مخاطره بیاندازد
همچنین در سدهای برقابی دهانه خروجی نیروگاه در پاییندست سد قرار داشته و در طی فرآیند آبشستگی، مواد جابجا شده به تدریج به سمت دهانه نیروگاه حرکت کرده و تراز سطح آب در پایاب را افزایش میدهند که این خود سبب کاهش راندمان نیروگاه شده و ممکن است مسایل پیشبینی نشدهای را نیز در پی داشته باشد.
جهت کاهش عمق حفره آبشستگی، می بایست تراز سطح آب در پایاب را افزایش داد که این کار معمولاً به کمک ساخت سد پایاب1 انجام میشود - همانند سد پایاب سد کارون . - 3 موقعیت قراگیری سدهای پایاب بر اساس محل برخورد جتهای ریزشی از سرریز و تونلهای تخلیه عمقی تعیین شده و ارتفاع آنها به الگوی آبشستگی و حداکثر عمق حفره آبشستگی بستگی دارد.
با وجود سابقه نسبتاً زیاد مطالعه پدیده آبشستگی در پایاب جتهای ریزشی از سرریزها، به دلیل پیچیدگی و فراوانی پارامترهای تاثیرگذار در این پدیده به ویژه در مورد آبشستگی روی بسترهای سنگی، یک روش تحلیلی و یا عددی صریح برای تعیین درست ابعاد حفره آبشستگی وجود ندارد و استفاده از مدلهای فیزیکی در حال حاضر مناسبترین روش برای تخمین محافظهکارانه عمق حفره آبشستگی به حساب میآید. روابط تجربی زیادی نیز وجود دارد که با استفاده از مدلهای آزمایشگاهی و یا به صورت تجربی بدست آمدهاند و در تخمینهای اولیه مورد استفاده قرار میگیرند:
که در آن q دبی ویژه جریان، H فاصله بین تراز سطح آب در مخزن و پایاب، y ماکزیمم عمق حفره آبشستگی، h عمق آب در پایاب، g شتاب ثقل و d50 میانگین وزنی اندازه دانهها میباشد.
با توجه به اینکه پارامترهای q، H و دانهبندی محل، پارامترهای ثابتی میباشند از این رو برای کاهش y+h میبایست به گونهای عمق آب پایاب یعنی h را افزایش داد. بدیهی است در صورتیکه بتوان به روشی انرژی حاصل از برخورد جت ریزشی به سطح آب پایاب را کاهش داد میتوان عمق آب پایاب را کم کرده و به این ترتیب ارتفاع سد پایاب را کاهش داده و هزینه اقدامات حفاظتی پاییندست را به حداقل رساند. یک راه کاربردی و ویژه در این مورد نصب بلوکهایی بر روی وجه جلویی سرریز بوده که اولین بار در دو سد بتنی در آفریقای جنوبی مورد استفاده قرار گرفتند
این بلوکها در واقع شکافندههای جریان 2 بوده و در فاصله بین تاج سرریز و نزدیک به لبه آن قرار داده میشود
قسمتی از جریان سرریز شونده، از روی شکافندهها عبور نموده و مابقی جریان از فضای بین آنها خارج میشود و این کار سبب شکافته شدن جریان شده و در بهترین شرایط جت جریان شکل شانه ای به خود میگیرد. به این ترتیب هوای زیادی وارد جریان شده و جت گسیخته3 میشود. در فرایند هواگیری، سطح مقطع جت افزایش یافته و بنابراین فشارهای وارده به سطح آب در پایاب کاهش یافته و این خود موجب کاهش انرژی فرساینده جت ریزشی میشود.
در طراحی بلوکهای شکافنده جریان تعیین پارامترهایی مانند تراز قرارگیری بلوک، ابعاد هندسی بلوک شامل درازا و پهنا، فاصله هر دو بلوک از یکدیگر ضروری میباشد. Mason - 1983 - در ادامه کارهای Roberts آزمایشهای زیادی را بر روی مدل هیدرولیکی چند سد انجام داده و در نهایت معیارهایی برای طراحی این شکافندهها ارائه داد که هم اکنون نیز در طراحیهای اولیه مورد استفاده قرار میگیرند.
شکل - 1 موقعیت نصب و چیدمان شکافندههای جریان بر روی وجه جلویی سرریز
در سال های اخیر با انجام مطالعاتی که بر روی مدل هیدرولیکی چند سد بتنی-قوسی در محل آزمایشگاه هیدرولیک موسسه تحقیقات آب انجام شد، کارایی شکافندههای جریان در کاهش میزان آبشستگی پاییندست مورد مطالعه قرار گرفت. این مطالعات به ویژه بر روی دو سد بتنی-قوسی کوهرنگ3 و خرسان3 متمرکز شده که در این قسمت رویه طراحی سد پایاب سد خرسان 3 به کمک مدل فیزیکی این سد آورده میشود که به عنوان یک نمونه موفق میتواند مورد استفاده طراحان این گونه از سازههای هیدرولیکی قرار گیرد.
معرفی سد برقابی خرسان
سد مخزنی خرسان3 یک سد بتنی-دو قوسی با ارتفاع حدود 180 متر از کف رودخانه بوده که برای تولید 1014 گیگاوات ساعت انرژی الکتریکی ساخته میشود. سیستم تخلیه سیلاب این سد تنها یک سرریز ریزشی آزاد روی تاج به طول ناخالص 140 متر بوده که با قرارگیری پایههایی به هشت دهانه تقسیم شده است
این سد دارای دو تخلیهکننده عمقی در دو تراز مختلف بوده که به ترتیب در فاصلههای 57 متری و 82 متری از بستر سنگی پایاب سد قرار میگیرند. دبی سیلاب طراحی سرریز در حدود 3700 مترمکعب در ثانیه و دبی حداکثر سیلاب محتمل در حدود 6300 مترمکعب در ثانیه برآورد شده است.
شکل - 2 پلان جانمایی بدنه سد خرسان 3 به همراه حوضچه استغراق، محل سد پایاب و موقعیت خروجی نیروگاه - با کسب اجازه از شرکت توسعه آب و نیروی ایران -
همان گونه که از شکل - 2 - پیداست هیچ سرریز کمکی در کنارههای سد برای تخلیه سیلاب ها در نظر گرفته نشده است - مانند آنچه که در سدهای کارون3، کارون4، سیمره و ... وجود دارد - و بنابراین همه سیلاب قرار است که از سرریز 8 دهانه روی تاج سد به پایاب هدایت شود. جت جریان ریزشی به فاصله نزدیکی از بدنه سد برخورد نموده و قدرت فرسایندگی بالایی دارد.
بنابراین میبایست یک حوضچه استغراق را در پای سد را به گونهای طراحی نمود که ضمن در بر گرفتن کلیه جتهای خروجی از سرریز و تخلیهکنندههای عمقی، خطر آبشستگی را کنترل نماید. این طول ابتدا بر حسب روابط تئوری محاسبه شده و سپس در مدل فیزیکی تدقیق میشود. سد پایاب بلافاصله پس از حوضچه استغراق قرار گرفته و ابعاد آن به پارامترهای آبشستگی و توپوگرافی محل بستگی خواهد داشت.
همچنین از شکل - 2 - مشخص است که خروجی نیروگاه در پاییندست حوضچه استغراق قرار دارد. در صورتیکه سد پایابی طراحی نشود ممکن است که مواد آبرفتی و سنگهای خرد شده حاصل از فرآیند آبشستگی به سمت پاییندست جابجا شده و دهانه خروجی نیروگاه را ببندند و یا اینکه با افزایش تراز سطح آب در پایاب4 سبب افت راندمان نیروگاه شوند. بنابراین طراحی و ساخت سد پایاب در محل مناسب و ابعاد بهینه در طرح حاضر و کلیه طرحهای مشابه، ضروری است. به این منظور و برای اندازهگیری پارامترهای هیدرولیکی جریان و تدقیق طرح، مدل فیزیکی جامعی از طرح تهیه و آزمایشهای مختلفی بر روی این مدل فیزیکی انجام شد.
مدل فیزیکی
به منظور مطالعه جامع و کامل عملکرد سازههای سد مورد مطالعه، مدل فیزیکی این سد با مقیاس 1/40 و بر اساس قانون تشابه فرود در محل آزمایشگاه هیدرولیک موسسه تحقیقات آب ساخته شد - شکل . - 3 ارتفاع کلی مدل در حدود 6 متر و ابعاد مخزن در حدود 7 متر در 17/5 متر در نظر گرفته و دبیهایی تا حدود 400 لیتر در ثانیه مورد آزمایش قرار گرفت.
