بخشی از مقاله
مطالعه ی آزمایشگاهی تأثیر عدد فرود بر آبشستگی اطراف آبشکن مستقیم با دیواره شیب دار
جکیده
در این مقاله تاثیر عدد فرود در اطراف آبشکن مستقیم با دیواره شیبدار بر میزان حداکثر عمق آبشستگی و تغییرات توپوگرافی بستر مورد بررسی قرار گرفته است. آبشکنهای مورد آزمایش دارای عرض ۵ سانتیمتر و با شیبهای قائم، ۸۰، ۸۵ و ۷۵ درجه میباشند و اعداد فرود مورد آزمایش • میباشد. نتایج نشان میدهد که با افزایش عدد فرود، حداکثر عمق آبشستگی و حجم حفره آبشستگی اطراف آبشکن افزایش مییابد. با افزایش عدد فرود، طول حفره در بالادست، طول حفره در پایین دست، پیشروی عرضی حفره آبشستگی افزایش مییابد.
واژه هاي کليدي : آبشستگی، آبشکن با نشیب کنارہ، حداکثر عمق آبشستگی، عدد فرود.
مقدمه:
آبشکنها سازههای رودخانهای میباشند که اکثراً جهت جلوگیری از فرسایش سواحل رودخانه مورد استفاده قرار میگیرند. آبشستگی سواحل رودخانه ها باعث فرسایش ساحل، از دست دادن زمین، تغییر مقطع رودخانه، افزایش رسوب، پایین آوردن کیفیت آب و ... می شود. اخیراً کاربردهای گوناگون زیست محیطی آبشکنها در رودخانه ها نیز مورد توجه قرار گرفته اند. در میان روش های مختلف حفاظت غیر مستقیم دیواره ها، ساخت آبشکنها یکی از معمولترین و موثرترین روش ها می باشد که امروزه کاربرد بسیار زیادی در مهندسی رودخانه دارد. از جمله سازههای سامان دهنده ی اصلاح مسیر رودخانه آبشکنها هستند. آبشکنها با انحراف دادن جریان اصلی از برخورد آن با دیواره ها جلوگیری می کنند. آبشکنها با تعدیل کردن شرایط هیدرولیکی موجب کاهش قدرت فرسایش جریان می شوند و شرایط مناسبی را برای رسوبگذاری و تثبیت کنارهها فراهم می کنند. یکی از روش های عملی و اقتصادی، ساختن آبشکن با استفاده از سنگ چین (ریپ رپ) است و به این دلیل آبشکنها اغلب ذوزنقه ای شکل ساخته می شوند. احداث سازه هایی نظیر آبشکن، با وجود کنترل فرسایشی بواسطه شکل گیری ساختارهای موضعی جریان نظیر تنگ شدگی مقطع عبور جریان، شکل گیری جریان رو به پائین و برخورد آن به بستر کانال در بالادست آبشکن، شکل گیری لایه برشی و آشفتگی های ناشی از آن و بالاخره شکل گیری گردابه نعل اسبی می تواند باعث ایجاد فرسایش موضعی حول سازه و تهدید ایمنی خود سازه شود. بنابراین تحقیق در مورد حداکثر عمق آبشستگی برای جلوگیری از واژگونی آبشکن و پیش بینی راهکارهایی برای مقاوم سازی پی آبشکن الزامی می باشد.
تحقیقات زیادی در مورد آبشستگی آبشکن ها انجام شده است. در مورد آبشکن با دیواره شیب دار ملویل در سال ۱۹۹۲ روابطی را برای حداکثر عمق آبشستگی برای شکل مختلف آبشکن با شکل های مختلف دیواره ارائه نمود [1].
رحمان و همکاران در سال ۲۰۰۴ مدلی را برای محاسبه حداکثر عمق آبشستگی ارائه کرد و با مدل ملویل مقایسه کرد[2]. کوهنلی و همکاران به اندازهگیری و شبیه سازی سه بعدی جریان نزدیک آبشکن با شیب دیواره ۱ به ۱.۲۵ پرداخت. کوهنل در سال ۲۰۰۲ همچنین به بررسی آبشستگی در آبشکن با دیواره ی شیبدار تحت زاوایای مختلف نسبت به دیواره پرداخت.[3]
در این تحقیق ما قصد داریم به بررسی تأثیر عدد فرود بر آبشستگی اطراف آبشکن مستقیم با دیواره شیب دار بپردازیم.
مواد و روشها تمام آزمایشات مورد نظر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه تربیت مدرس انجام شده است. برای انجام آزمایشات از کانال مستقیم به طول ۶ متر، به عرض ۰/۴۵ متر، ارتفاع ۰/۴۵ متر استفاده شد. شکل(۱) پلان کانال را نشان میدهد. دیوارهها و کف کانال از جنس شیشه شفاف به ضخامت ۱۰ میلیمتر بود. یک اسکلت فلزی که در روی آن یک ریلی که امکان قرارگیری تجهیزات اندازه گیری عمق و سرعت جریان بر روی ان فراهم بود، ساخته شده بود. مصالح بستر مورد استفاده در این تحقیق از نوع ماسه طبیعی با قطر متوسط ۱/۴۸ میلیمتر و با اندازه انحراف استاندارد ۱/۱۹ می باشد، شکل (۲) نمودار دانه بندی مصالح را نشان میدهد. کف کانال در حدود ۲۵ سانتیمتر از مصالح پر شده بود.
استفاده می شد. در آزمایشات برای جلوگیری از آبشستگی عمومی بویژه در زمانی که عمق آب کم است، بستر را ابتدا از پایین دست توسط شلنگ آب اشباع می کردیم بعد از بالا آمدن آب، در کانال شیر پمپ بطور تدریجی باز میشود. سپس با دریچه ی پایین دست کانال، عمق هیدرولیکی مورد نظر ایجاد می شود و زمان تنظیم عمق جریان همان زمان شروع آزمایش در نظر گرفته شده است. در این آزمایشات از دبی ۱۵ لیتر بر ثانیه استفاده شد که عمق جریان با استفاده از یک سرریز که در انتهای کانال نصب شده بود، تنطیم می شد. آبشکن در فاصل ۲/۵ متری از ابتدای کانال نصب شده بود تا جریان به صورت کاملا توسعه یافته در آمده باشد. زمان انجام تمام آزمایشات ۲۴ ساعت بوده است. به منظور تنظیم نمودن تراز سطح آب، از یک دستگاه عمق سنج نقطهای مکانیکی (Point Gage) با دقت ۰/۰۱ میلیمتر استفاده گردید. در انتهای آزمایش پارامترهای آبشستگی (عرض حفره، طول حفره در بالادست و پایین دست و عمق حفره آبشستگی اطراف آبشکن ها) و توپوگرافی بستر با متر لیزری با دقت ۱ میلیمتر برداشت شد.
آزمایشات بر روی یک آبشکن تیغه ای با عرض ۵ سانتیمتر و طول ۱۰ سانتیمتر و ۳ آبشکن با دیواره شیب دارقائم، ۸۵، ۸۰ و ۷۵ درجه که جنس آبشکنها پلکسی گلاس میباشد، در شکل (۳) نشان داده شده، انجام شد. در تمامی آزمایشات دبی و سرعت جریان ثابت بود و عدد فرود برابر ۰/۲۹ بود. عدد فرود و عمق جریان طوری انتخاب شده بود که آبشستگی عمومی در طول کانال وجود نداشت.
تحلیل دادهها
به خاطر برخورد جریان به آبشکن و تبدیل سرعت جریان به فشار ایستا، سطح آب در پشت آبشکن افزایش مییابد. پدیده مزبور باعث ایجاد اختلاف فشار طولی شده و در نتیجه، لایه مرزی ایجاد شده در دیواره و نیز لایه مرزی بستر که در بالادست آبشکن شکل گرفته اند، جدا شده و باعث شکل گیری ناحیه سکون پشت آبشکن می شود. اختلاف فشار قائم ایجاد شده در پشت آبشکن باعث می شود تا قسمت عمده جریان نزدیک شونده به سمت بستر منحرف شوند. در لایههای فوقانی بویژه در سطح آب، ناحیه ای در پشت آبشکن ایجاد می شود که ذرات آب پس از برخورد به آبشکن ضمن انحراف به سمت بالا دارای حرکت چرخشی در راستای عرضی کانال می باشد. لازم به ذکر است ناحیه چرخشی مزبور به نحوی است که در محل تلاقی دیواره جانبی و آبشکن ضعیف بوده و محور چرخشی تقریبا در راستای عرضی کانال حفظ میشود. در حالیکه بتدریج با نزدیک شدن به دماغه آبشکن، بواسطه افزایش مولفه طولی سرعت و برخورد شدید آب به سازه، جریان چرخشی قوی تری ایجاد شده و ضمن چرخش به سمت بالادست، جریان برگشتی در لایه های فوقانی با برخورد به سطح آب باعث ایجاد فروافتادگی شدید میشوند. ناحیه چرخشی مذکور نهایتا با مولفه طولی سرعت که در این ناحیه شدید می باشد، ترکیب شده و پس از عبور از دماغه آبشکن با لایه برشی پایین دست آبشکن ترکیب می شود.
شکل های (۴) و (۵) پروفیل طولی بستر را در مقطع بعد از آبشکن که در پایین دست آبشکن قرار دارد را در اعداد فرود مختلف، نشان میدهد. در این شکلی ها X مختصات عرضی نقاط، B عرضی کانال، dS عمق آبشستگی و h ارتفاع آب می باشد و جهت جریان از راست به چپ می باشد. آبشکن به عرض ۵ سانتیمتر در محور X در فاصله ی ۰ تا ۰/۱۱ قرار دارد. همان طور که در شکل ها مشاهده می شود با افزایش عدد فرود ابعد چاله آبشستگی و حداکثر عمق آبشستگی افزایش مییابد و میزان پیشروی تغییرات بستر به سمت پایین دست زیادتر میشود.
شکل های (۶) و (۷) پروفیل عرضی بستر قبل از آبشکن و شکل های (۸) و (۹) پروفیل عرضی بستر را در محل حداکثر عمق آبشستگی را در اعداد فرود مختلف نشان میدهد. در این شکل ها y مختصات طولی نقاط، B عرضی کانال، dS عمق آبشستگی و h ارتفاع آب می باشد. با توجه به شکل ها با افزایش عدد فرود حداکثر عمق آبشستگی و کشیدگی عرضی چاله آبشستگی به سمت ساحل مقابل افزایش مییابد.
عمق آبشستگی در پایین دست آبشکن نسبت به بالادست آبشکن کمتر می باشد.
در ابتدای کانال برای جاری شدن جریان یکنواخت به داخل کانال از یک سطح شیبدار استفاده شد، طول کانال مورد آزمایش برای عدم وجود تلاطم جریان ورودی و خروجی در محدوده آبشکن و هم چنین جاری شدن جریان یکنواخت در این محدوده، مناسب بود. این کانال مجهز به مخزن بالادست و مخزن پایین دست، پمپ و دبی سنج میباشد. منبع تغذیه کانال یک پمپ بود و جهت تنطیم دبی جریان از شیر نصب شده بر روی لوله ی خروجی پمپ استفاده می شد. برای مشاهده ی مقدار دبی عبوری از کانال، از دبی سنج مغناطیسی مگاب ۳۰۰۰
شکل های (۱۰) و (۱۱) تغییرات توپوگرافی بدون بعد شده بستر را برای اعداد فرود مختلف را نشان میدهند. با مقایسه اشکال مشاهده می - شود که با افزایش عدد فرود ابعاد طولی و عرضی و عمق حداکثر چاله آبشستگی اطراف آبشکن و در نتیجه حجم چاله افزایش مییابد.
