Oنادرقلی ابراهیمی، عضو هیات علمی مركز تحقیقات منابع طبیعی و امور دام استان مركزی
تاریخ دریافت: بهمن ماه 1379 تاریخ پذیرش: بهمن ماه 1380
چكیده
در جامعه امروز چگونگی بهرهبرداری بهینه از منابع آب برای تامین نیاز بخشهای كشاورزی، صنعت و شرب بیش از گذشته اهمیت دارد. طراحی و اجرای سازههای (ساختمانهای) بتنی، سنگی، خاكی و... یكی از راههای مناسب برای بهرهبرداری، انحراف و استحصال آب رودخانهها (مجاری روباز)
میباشد رفتارهای مختلف این سازهها در مقابل جریان آب، اجزا خود و محیط پیرامون از ساسیترین نكاتی است كه در طراحی بناهای آبی بایستی مد نظر قرار گیرد این رفتارها عمولا با ساختن مدل فیزیكی در آزمایشگاههای هیدرولیك مورد بررسی قرار میگیرد تا با بررسی رفتار سازه در قالب مدل آزمایشگاهی، پیشبینی رعایت نكات لازم طراحی برای جلوگیری از هزینههای جبرانناپذیر بعدی صورت پذیرد. مدل فیزیكی سرریزهای وریسنگی پلكانی با شیب عمومی نمای پایین دست 1:1، 1:2، 1:3 (عمودی، افقی) در دو حالت كلی نفوذپذیر و نفوذناپذیر ساخته شد و در داخل فلوم آزمایشگاهی قرار گرفت. با كمك تحلیل ابعادی و استفاده از قانون فرود (Froud) با عبور دبیهای مختلف انرژی مخصوص جریان آب در بالادست و پایین دست مدلها محاسبه گردید. وضعیتهای مختلفی از پارامترهای جریان نسبت به هم مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصله نشان داد كه حداقل سرعت جریان پایاب در حداقل دبی مربوط به سرریز با شیب نمای پایین دست 1:1 و بدنه نفوذناپذیر است و در حداكثر دبی نیز مربوط به سرریزی با همین شیب ولی بدنه نفوذپذیر میباشد تفاوت زیاد انرژی مخصوص جریان آب در بالادست و پایین دست حاكی از عملكرد موفق این نوع سرریز و استهلاك انرژی جریان و كاهش هزینههای اجرایی میباشد.
كلمات كلیدی: توریسنگ، سرریز، سرریز توریسنگی پلكانی، مدل فیزیكی، انرژی جریان، پراكنش انرژی
20-25M Pajouhesh & Sazandegi, No 58 PP:
Evaluation of laboratory energy flow lose in stepped gabion weirs model fordecrease erosion By:N,Gh. Ebrahimi, Member of Scientific Board of natural Resources and Animal Affairs, Research Center of Markazi Province, Iran. E-mail:
nebrahimi-80 @ yahoo.com.ir
Stepped gabion weirs are composed of termed gabion, and stone have many application especially in full water rivers and steady
slope as well as applying for elevation of water level, decreasing of water erosion severity of high steady rivers in mountainous area
and as weirs crest and over part stairs will cause lossing a large quantity of water potential energy. This study was cunducted on the
basis of some research conclusions on physical model of stepped gabion weirs more attention were paid to application of gabion
buill and some given results were also presented in this in stance with the aim of dimensions analysis and applying of physical model
froud number with general slope of down slope 1:1, 2:1 and 3:1 (horizontal: vertical) in two general state of permeable and
impermeable gabion body were made and set up under passage of various flow with calculation of specific energy of water flow in
downstream and upstream of models, the loss energy percentage on weirs was calculated and them with the help of some available
softwares, various conditions of flow parameters were examined and compared with each other. one the basis of this investigation we
concluded that minimum velocity speed flow in minimum debi (flow) is related to weir with down slope of 1:1 and fit to impermeable
model and the maximum debi (flow) is related to weir with some slope fit to permeable model. There fore the neccessity of
establishing the energy dispersion structures with long lenght for erosion cotrol in ceased in such cases.
Keyword: Gabion, Weir, Stepped gabion weir, Physical model, Energy flow, Energy dispersion.
مقدمه
در این مقاله با استفاده از نتایج طرحهای تحقیقاتی قبلی در محیطهای متخلخل و نتایج تحقیقات انجام شده بر روی مدل فیزیكی سرریزهای توری سنگی پلكانی سعی شده به بعضی سوالات در این رابطه پاسخ داده شود. نتایج بررسی دارسی و ایسباخ در محیط متخلخل ریزدانه رابطهای بین سرعت جریان آرام و گرادیان افت انرژی
جریان به صورت V=KLi ارائه داد. در جریان آشفته گرادیان افت انرژی جریان با توان دوم سرعت متناسب است i=V2Kt و در جریان بینابینی رابطه بهصورت تركیبی از جریان
آرام و آشفته ارائه شده است(1).
i=VKL+V2Kt، از طرف دیگر جی ناوس (1979) رابطهای تحت عنوان عدد فروید بهصورت زیر برای تعیین حداكثر دبی عبوری از روی سدهای سنگریزهای پیشنهاد
نمود(1).
gds3/2)خ.(Fr=qc
در سال Peyras 1990 و همكاران با استفاده از مدل هیدرولیكی سرریزهای توریسنگی پلكانی را مورد ارزیابی قرار دادند نتایج تحقیقات آنها نشان داد كه به طور كلی
در دبیهای كم تا زیاد سه نوع جریان ورقهای، جزئی ورقهای و شبه صاف در ا ین سرریزها وجود دارد و با ساخت این سرریزها طول حوضچه آرامش در مقایسه با روشهای
جاری 10 تا 30 درصد كاهش مییابد. هزینه اجرای این سرریزها به نسبت سایر سرریزها به شدت كاهش مییابد و در صورتیكه به نحو صحیح كنار هم پیچیده و به یكدیگر
دوخته شوند مقاومت خوبی در مقابل جریانهای سیلابی از خود نشان میدهند (1، 5).
نگارنده در سال 1367 نیز با طراحی و اجرای دو سرریز توریسنگی پلكانی (در رودخانه قرهچای استان مركزی و در بالادست سد الغدیر ساوه) حالات مختلف جریانهای
سیلابی، پایداری سازه و... را در سیلابهای مختلف بررسی نمود كه عملكرد بسیار مناسب این سازهها را در طول حدود 14 سال بهرهبرداری برای انحراف آب و تامین آب
كشاورزی به اثبات رسانده است.
اجرای بندها و سرریزهای توریسنگی كه در وسعت و تعداد زیاد در آبراهههای فصلی حوزههای آبخیز و رودخانهها با هدف كنترل فرسایش، كاهش انرژی آب در مسیر و
نیز انحراف آب رودخانهها برای تامین آب كشاورزی مورد استفاده قرار میگیرد (3). سوالی را در خصوص بهینه كردن ابعاد سرریز از نظر اقتصادی و فنی مطرح مینماید.
برای جوابگویی به این سوال و سوالات متعدد دیگری همچون:
-1 بهترین شیب عمومی نمای پایین دست سرریز توریسنگی پلكانی برای ایجاد حداكثر استهلاك انرژی كدام است؟
-2 در چه دبی جریانی حداكثر و حداقل استهلاك انرژی اتفاق میافتد؟
-3 آیا میزان نفوذپذیری سرریز تاثیری در میزان استهلاك انرژی جریان دارد؟ و...
كه هدف تحقیق پاسخگوئی به سوالات فوق است این سوالات با انجام آزمایشات بر روی مدلهای فیزیكی سازه در آزمایشگاه هیدرولیك و با بررسی تغییرات سرعت
جریان آب و تجزیه و تحلیل میزان انرژی جریان در سرآب و پایآب مدل سرریز پاسخ داده شدهاند.
روش كار
در انواع سرریزهای توریسنگی (پلكانی، شیبدار و قائم) شكل شماره -1 انواع پلكانی آن استهلاك انرژی خوبی از خود نشان میدهد (1، 2، 3).
از انواع سرریزهای تاج خطی (كه تاج آن در پلان بصورت خط است) سرریز توریسنگی پلكانی است این نوع سرریز، مشابه تعدادی سرریز اوجی شكل است با این تفاوت
كه به جای منحنی پیوند در سطح آستانه سرریز از تعدادی پله با مصالح سنگی كه در جعبههای توری فولادی نرم گالوانیزه (توریسنگ) قرار گرفتهاند (4).
آزمایشهای انجام شده بر روی این مدل توسط Peyras و همكاران (5) نشان میدهد كه اتلاف انرژی تابعی است از عدد پله (آبشاره) شیب وجه پایین دست پلهها و
تعداد پلهها كه برای سه نوع جریان ورقهای جزئی ورقهای و شبه صاف از دبیهای كم تا زیاد بر روی پلهها ایجاد میگردد.
در این مقاله نیز همانند بسیاری از مسائل هیدرولیك برای رسیدن به نتایج دقیق علمی از روش آزمایش و ساخت مدلها به موازات اصول تحلیل ریاضی استفاده عمل
شده است.
در مدلسازی سرریز با توجه به اینكه نیروی موثر در حركت جریان نیروی ثقل میباشد از قانون تشابه فرود (یعنی نسبت نیروی اینرسی به نیروی ثقل) بر اساس روابط
زیر استفاده گردید:
=نیروی ثقلنیروی اینرسی(1)
g.Lخm.am.a=pL3.L/T2p."L3.g=V2L.g====> Fr=V
:Vسرعت جریان آب
:gنیروی ثقل
:Lعمق جریان آب میباشد.
و با تعریف بعضی متغیرها از جمله ارتفاع سرریز(H) ، شیب عمومی نمای پایین دست پلهها(i) ، تخلخل توده سنگ بكار برده شده(n) ، كه نمایانگر وضع هندسی
سیستم هیدرولیكی و میزان جریان عبوری از روی سرریز در واحد عرض(q) ، ارتفاع آب روی سرریز (h) و سرعت آب عبوری از روی سرریز (V) كه وضع جریان سیاله را و
نهایتا وزن مخصوص سیال (pw) لزجت سینماتیكی (v) و نیروی ثقل (g) كه نشانگر خواص سیاله میباشند میتوان پارامترهای بدون بعد مستقل زیر را به دست آورد و
تاثیر هر عامل را بر نحوه استهلاك انرژی برآورد نمود.
E1-E2E2= f(g,h,i,q,n)(2)
P1=i(3)
P2=n(4)
D=P3= q2gH3(5)
با استفاده از تجارب تحقیقاتی مشابه و امكانات آزمایشگاهی، مقیاس ساخت مدل فیزیكی 1/10 و نیز مدل از نوع غیر معوج انتخاب شده است. ابعاد هر جعبه توریسنگ در مدل به ترتیب درازا 30 سانتیمتر، پهنا 10 سانتیمتر و بلندا 10 سانتیمتر و تعداد پلهها نیز سه پله یعنی ارتفاع مدل 30 سانتیمتر انتخاب شده است.
شیب عمومی نمای پایین دست مدل 1:1، 1:2 و 1:3 (عمودی، افقی) تعیین و مدل در دو حالت عمده یعنی در حالت اول نفوذ آب از داخل و روی سرریز (بالا دست مدل نفوذپذیر و قائم است) و در حالت دوم فقط آب از روی سرریز عبور میكند (بالادست مدل نفوذناپذیر قائم است) آزمایش شد. بدههای جریان 20، 40، 60، 80 و 100 لیتر در ثانیه انتخاب و با سه شیب مختلف در نمای پایین دست در دو حالت كلی آزمایشات صورت گرفت. ابعاد چشمههای توری جعبههای گابیون 20*30 میلی متر و قطر سیم توریها 0/7 میلیمتر و سنگ مورد استفاده در جعبهها از جنس ماسه سنگ، سنگ آذرین و سنگ آهك شكسته تعیین و ابعاد سنگها با توجه به انجام آزمایش دانهبندی
بوسیله الك حداقل 1/5 برابر قطر چشمههای توری و D50 =4/75mm انتخاب شد D50) .مصالح مورد استفاده در طرحهای اجرایی معمولا 20 تا 30 سانتیمتر است). نظربه اینكه معمولا برای حفاظت توریها در تاج پلكان سرریزهای توریسنگی از یك لایه بتن استفاده میشود لذا با رعایت شرایط تشابه مدل و اصل (از لحاظ زبری و ضخامت) در بعضی مدلها، تخته ضد آب به ضخامت 19 میلی متر بدین منظور بهكار رفته است شكل شماره -3 آزمایشها در آزمایشگاه هیدرولیك مركز تحقیقات آب (سابق) جهادسازندگی و در یك فلوم نیم شیشهای با كف ثابت و عرض و ارتفاع 60 سانتیمتر انجام شد با توجه به شكل -2 و اندازهگیری تراز سطح آب در هر مقطع در یك دبی معلوم، سرعت و انرژی جریان آب در بالادست و پایین دست سرریز محاسبه و میزان افت انرژی در بالا دست و پایین دست از روابط زیر تعیین گردید:
E1=y1+V122g(6)
E2=y2+V222g(7)
%EL= E1-E2E1*100(8)
در این روابط (y) عمق جریان آب، (V) سرعت جریان آب و E انرژی آب و (%EL) درصد افت انرژی جریان میباشد (اندیس 1 و 2 نشانگر بالادست و پایین دست مدل است).
با توجه به موضوع مورد بررسی و برای تعیین دقیق عملكرد گزینهها، ابتدا همبستگی بین سرعت جریان آب در پایاب با درصد افت انرژی با استفاده از مدل خطی آزمایش شد. و سپس با رسم نمودارهای متعدد با استفاده از برنامه كامپیوتری وضعیتهای مختلفی از پارامترهای جریان (سرعت آب در بالادست و پایین دست در برابر بده جریان و سرعت آب در پایین دست در برابر درصد افت انرژی) بررسی شدهاند جداول 1 و 2 معادلات مربوط و قسمتی از نتایج را نشان میدهد.
بحث و نتیجه گیری
با توجه به هدف تحقیق كه بررسی آزمایشگاهی استهلاك انرژی جریان بر روی سرریزهای توریسنگی پلكانی است روش نظری و تجربی و نیز نتایج تحقیقات قبلی با تكیه بر تحلیلهای ابعادی و به كارگیری تحلیلهای آماری برای تجزیه و تحلیل مورد استفاده قرار گرفته است. با توجه به بیش از 180 داده آزمایشگاهی قرائت شده كه حاصل از بررسی بر روی 9 گزینه سرریز كه بر روی هر گزینه 5 دبی جریان مختلف عبور داده شده است (مجموعا 45 آزمایش) لذا همبستگی بین دبی جریان با درصد افت انرژی برای دستیابی به بالاترین درصد افت انرژی با چهار مدل خطی لگاریتمی، توانی و نمایی با 36 معادله بررسی شد و سپس با رسم نمودارهای متعدد با استفاده از برنامه Harvard Graphics ver.5 وضعیتهای مختلفی از پارامترهای جریان بررسی شدهاند. این نمودارها نشان دهنده تغییرات بده جریان در مقابل درصد افت انرژی، عدد پله در مقابل درصد افت، سرعت آب در بالادست و پایین دست سرریز در برابر بده جریان و... میباشند. كه نتایج به شرح زیر است.
-پارامترهای موثر در ایجاد استهلاك انرژی جریان در این نوع سرریزها شامل شیب عمومی پایین دست پلهها، میزان تخلخل توده سنگ بكار رفته در توریسنگ، دبی عبوری جریان، ارتفاع كل سرریز است.
همانطوری كه در شكلهای 4، 5 و 6 مشخص است، مقایسه بین سرعت آب در پایاب مدلها (V2) دبی جریان (Q) و درصد افت انرژی (%EL) صورت گرفته است. این سرعت با افزایش دبی افزایش مییابد بطوریكه حداكثر سرعت جریان پایاب در مدل با شیب پایین دست 1:1 و بالادست نفوذپذیر كه بر روی آن تخته وجود دارد و دبی آن 100 لیتر در ثانیه است روی میدهد (به میزان 208/33 سانتیمتر بر ثانیه) و حداقل سرعت جریان پایاب در مدل با شیب پایین دست 1:1 و بالادست نفوذناپذیر كه بر روی آن تخته وجود دارد و دبی آن 20 لیتر در ثانیه است روی میدهد (به میزان 69/44 سانتیمتر بر ثانیه) بدیهی است بالا رفتن سرعت جریان در پایاب باعث بالا رفتن انرژی مخصوص در پایین دست و نهایتا افت انرژی كمتری را در طول سرریز نشان میدهد كه این امر در مورد مدلی كه حداكثر سرعت آب در پایین دست را دارا میباشد به میزان 42% یعنی حداقل انرژی نسبت به تمامی گزینهها میباشد و نیز در مقایسهای كه بین سرعت آب در سرآب مدلها (V1) و دبی جریان (Q) صورت گرفته است، همانند قسمت قبل با افزایش دبی جریان آب در سراب بیشتر میشود كه حداكثر سرعت جریان آب در سرآب را مدل با شیب 1:2 كه بالادست نفوذپذیر و بدون تخته روی پلهها میباشد دارد. (به میزان 24/04 سانتیمتر بر ثانیه) و حداقل سرعت جریان آب در سرآب را مدل با شیب 1:3 كه بالادست نفوذناپذیر و با تخته روی پلههای آن میباشد دارد. (به میزان 8/03 سانتیمتر بر ثانیه).
-لزوم توجه و استفاده بیشتر از سازههای توریسنگی به عنوان گزینهای كارآ و مطمئن در كارهای رودخانهای مخصوصا بعنوان سرریز در بندهای انحرافی كه استهلاك انرژی خوبی از خود نشان میدهند و نیز بعنوان سدهای تاخیری (متوالی) در مسیر رودخانههای پرشیب مناطق كوهستانی كه شدت فرسایش را كاهش میدهند.
-تغییر در شیب وجه پایین دست سرریز در یك دبی ثابت، تغییرات كم سرعت جریان آب در سرآب سرریز را باعث میشود. ولی تغییرات سرعت آب در پایین دست نسبت به تغییر این شیب در حالات مختلف متفاوت است.
-سرعت جریان آب در بالادست و پایین دست همه گزینهها نسبت به افزایش دبی جریان افزایش مییابند و حداقل سرعت آب در سرآب و پایاب مربوط به مدلهایی است كه بالادست آنها نفوذناپذیر و تخته روی پلههای آنها قرار داده شده است. سرعت آب سرآب در كلیه مدلها و در دبی 100 لیتر بر ثانیه در شیب پایین دست 1:2 كمتر از شیبهای دیگر بوده است.
لذا در حالتی كه حداقل سرعت جریان آب در پایاب وجود دارد یعنی حداكثر افت انرژی بر روی سرریز، لزوم ایجاد سازه استهلاك انرژی (حوضچه آرامش) با طول زیاد در پایاب منتفی میگردد بطوریكه بر اساس نتایج تحقیقات انجام شده توسط Peyras) و همكاران 5) 10 تا 30% از طول حوضچه آرامش كاسته میشود كه این میزان معادل 5 تا 10% هزینه كل پروژه میباشد.
اهیقرواپ
1- Stepped Gabion weir
2- Drop Number
3- Isolated Nape Flow
4- Partial Nape Flow
5- Skimming Flow
منابع مورد استفاده
-1 ابراهیمی، نادرقلی و .1372 ((بررسی استهلاك انرژی جریان بر روی سرریزهای گابیونی پلكانی، پایاننامه كارشناسی ارشد رشته تاسیسات آبیاری دانشگاه تربیت مدرس.
-2 جوان، محمود. فرشاد، مهدی - طالب بیدختی، ناصر - جواهری، پرهام. .1369 طرح آنالیز و اجرای سازههای توریسنگی (گابیون). معاونت امور آب جهادسازندگی 1369
-3 زند پارسا، شاهرخ - شفاعی بجستان، محمود. عملكرد سرریزها برای كنترل كف و سطح آب رودخانهها. مجله آب شماره .12
-4 شفاعی بجستان، محمود. .1371 جزوه درسی هیدرولیك رسوب، دانشكده كشاورزی دانشگاه تربیت مدرس.
5- Peyras L.Royet, P. and Degoutte G. 1992; Flow and energy dissipation over stepped gabion weirs, ASCE, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 118, No. 2
