پایان نامه تحلیل پارامترهای هندسی - هیدرولیکی درآبشستگی پایین دست کالورت ریزشی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد ”M.Sc“

 مهندسی عمران – سازه های هیدرولیکی 

چکیده :

پیش بینی آبشستگی ناشی از سازه های هیدرولیکی یکی از مسائل مهم در علم هیدرولیک می باشد.

تا کنون مطالعات متعددی در این زمینه انجام شده اما با توجه به پیچیدگی این مسئله بدلیل اثر توام آب و رسوب عرصه برای مطالعات در این زمینه بسیار زیاد است .

در این تحقیق به بررسی پارامتر های مختلف چون ارتفاع ریزش ، دبی ، عمق پایاب و همچنین زاویه ریزش و تاثیر تک تک این پارامتر ها بر حد اکثر ابعاد حفره آبشستگی پرداخته شده است .

بر اساس نتایج بدست آمده :

با افزایش دبی مقدار حد اکثر عمق ، عرض و طول حفره آبشستگی افزایش می یابد.هم

با افزایش ارتفاع ریزش عمق و عرض حفره افزایش ولی طول حفره آبشستگی کاهش می یابد.

با افزایش عمق پایاب هر سه پارامتر طول ،عرض و عمق حفره آبشستگی کاهش پیدا می کند.

با تغییر زاویه ریزش از ٠ به ٤٥ درجه رو به بالا ، عمق و طول حفره آبشستگی کاهش امی عرض حفره آبشستگی افزایش پیدا میکند.

برای تحلیل ابعاد حفره آبشستگی حد اکثر عمق ،طول و عرض حفره اندازه گیری شده و نهایتا" با توجه به آنالیز ابعادی صورت گرفته روابطی برای محاسبه حد اکثر ابعاد حفره آبشستگی ارائه گردیده است .

واژه های کلیدی :جت ریزشی ، حفره آبشستگی ، ارتفاع ریزش ، عمق پایاب ، زاویه ریزش ، دبی ، آنالیز ابعادی

مقدمه :

 یکی از مهمترین مسائل مهمی که همیشه مورد توجه مهندسان و دست اندرکاران کارهای عمرانی بوده است مساله آبشستگی است ،در علم هیدرولیک نیز به این موضوع توجه زیادی شده و در تحقیقات بسیاری سعی شده است که با توجه به شرایط گوناگون این پدیده و گستردگی پارامترهای موثر بر آن ، روابطی برای تخمین میزان آبشستگی ارائه شود.

 جریان های خروجی از سازه های هیدرولیکی اغلب به صورت جت می باشند که این مطا لعه توجه بیش از پیش را به لزوم لحاظ پدیده آبشستگی در پائین دست سازه های هیدرولیکی و برآورد میزان آبشستگی آشکار می سازد.

اگرچه مطالعات متعددی در زمینه آبشستگی ناشی از جت انجام شده است و جت های مختلفی از قبیل جت های افقی ، عمودی و پرتابی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است ولی حالت های بسیاری وجود دارد که هنوز عرصه جهت مطالعه ، بسیار زیاد است .در تحقیق حاظر سعی شده با توجه به امکانات محدود آزمایشگاهی به بررسی جت ریزشی در حالت مورب رو به بالا و افقی و روابط تجربی جهت برآورد آن ارائه شود و با مطالعات محققین قبلی مقایسه گردد.

در این خصوص سعی شده پارامتر هایی چون سرعت جت ، ارتفاع ریزش و ... مورد توجه قرار گیرد و در پایان روبط در مورد براورد طول ، عرض و عمق حفره آبشستگی جهت طراحی سیستمی ایمن در پایین دست جت های ریزشی ارائه شود.

فصل اول

کلیات

١-١- تاریخچه علم رسوب و فرمایش و مفهوم آستانه حرکت

با پی ریزی علم هیدرولیک در قرن ١٧ میلادی توسطپاسکال و نیوتنو سایرین ، مسأله حرکت آب و بطور کلی سیالات روی بستر مورد توجه بیشتری قرار گرفت . در قرن ١٨ میلادی با ارائه معادلات انرژی ازسوی برنولی و همین طور لاگرانژ و اولر تحولی در این علم رخ داد . در همین

ایام بود که شزی با ارائه فرمول معروف خود یعنی :

 V =C  RS                                                                                                (1-1)

ارتباط بین ذرات بستر و سرعت جریان را مورد توجه قرار داد. هر چند که هنوزمسأله رسوب در آبشستگی ، مرکزتوجه محققین قرار نگرفته بود اما ضریب c،  اثر جنس بستر را در رابطه (١-١) می رساند . در اواخر قرن ١٨ میلادی یک مهندس فرانسوی به نام دوبوات Dubuat پایه گذار آزمایشهایی شد که این آزمایشات نام او را به عنوان بنیان گذار علم رسوب  و آبشستگی در تاریخ هیدرولیک ثبت کرد . در هفت دهه اخیر ، علم هیدرولیک انتقال رسوب پیشرفت گسترده ای کرده است .  شیلدز Shields در سال ١٩٣٦ نخستین کسی بود که به طورسیستماتیک آستانه حرکت یا شروع حرکت ذرات رسوب را مورد مطالعه قرار داد . وی با نموداری که ارائه داد ابزاری جهت استفاده طراحان فراهم آورد تا نسبت به پایداری کانالهای خاکی و رودخانه ای اظهار نمایند .

اینشتین Einstein در سال ١٩٥٠ با تکمیل و ارائه رابطه خود برای محاسبه برآورد میزان بار رسوبی ، گامی جدید در پیشبرد تکنولوژی انتقال مواد رسوبی برداشت .افرادمتعدد دیگری هم ازجمله اسکوکلیچ ، شیلدز و یالین که امروزه پایه گذاران مباحث فرسایش و حمل رسوب شناخته می شوند به پیشبرد این علم کمک کرده اند . در حال حاضر نیز به دلیل نیاز به حل مسادل مختلف که رسوبات به وجود می آورند، مطالعات دامنه داری در مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی دنیا در حال انجام می باشد . هر چند بعضی از اصول علم انتقال رسوب شناخته شده  ولی بعضا به دلیل پیچیدگی خاصی که دارند هنوز ناشناخته مانده است ، از این رو مطالعات در این زمینه ادامه دارد

. فرسایش در حقیقت جا به جائی ذرات همراه جریان از محل استقرار اولیه  آنها به مکان دیگری به علت شدت انرژی سیال است . این جا به جائی ذرات بستر ناشی از دو گروه از نیروها می

باشد :

١. نیروهایی که در مقابل حرک ذره مقاومت کرده و مانع جدائی آن ذره می شوند.

٢. نیروهایی که سعی در جدا کردن ذره از بستر داشته و می خواهند آن را همراه جریان حرکت دهند .

آبشستگی به طور عادی در کف رودخانه ها و دیواره های آنها رخ می دهد اما حالت بسیار بحرانی  آن معمولاً  پس از  گذشتن جریان از حول یک سازه  هیدرولیکی اتفاق  می افتد. حرکت یک ذره موقعی شروع می شود که نیروهای اعمال شده توسط جریان یعنی نیروی کشسانی و بالابر که باعث جدا شدن ذره از بستر می شوند ، بر نیروهای مقاوم به علت وزن ذره غالب آیند (

آستانه حرکت ذره ) . نیروی بالابر ذکر شده به دو دلیل زیر ممکن است ایجاد شود:

الف )   به خاطر تغییرات سرعت درنزدیکی کف کانال و ایجاد یک اختلاف فشار بین بالاو پایین ذره

،آن را از جا می کند و این ذره ، توسط سیال به محل دیگری حمل می شود.

ب)    به علت وجود جریان آشفته (جریانهای متلاطم موضعی ) ممکن است سیال ، ذره را نیزبا خود حمل کند.اگر نیروی وزن و نیروی بالابر تقریباً مساوی باشند یک نیروی پیش برکوچک قادر

است تا ذره را ازجای خود حرکت دهد . پس از جابه جایی ذره نیروی بالابر رو به کاهش می گذارد و نیروی پیش بر اضافه میشود (تاج کریمی ،١٣٨٣).

برای بدست آوردن روابط هیدرولیکی در زمان شروع حرکت ذره روش های متعددی ارائه شده

که در زیر به برخی از آنها اشاره می گردد :

الف -  روش تنش برشی

ب –روش سرعت بحرانی

در روش اول وقتی که تنش برشی وارد بر ذرات بیشتراز تنشی برشی بحرانی باشد ذرات شروع

به حرکت می کنند بعضی از روشهای ارائه شده در این زمینه عبارتند از :

١. دیاگرام شیلدز

٢. دیاگرام گسلر (روش اصلاح شده شیلدز)

٣. تئوری وایت White

٤. روش کالینسکی Kalinske

٥. روش تجربی لین  کارلسن Lane and Carlson

در روش دوم دانشمندان علم هیدرولیک رسوب به جای استفاده ازتنش برشی ، سرعت جریان را به عنوان مهمترین فاکتوردر فرموله کردن آستانه حرکت به کار برده اند. روابط ارائه شده عمدتاً بر مبنای تجزیه و تحلیل ، آنالیز ابعادی و استفاده از داده های تجربی بوده است .

١-٢- مراحل مختلف فرسایش و انواع آبشستگی

به طور کلی پدیده آبشستگی دارای چهارمرحله زیر است :

 ١. مرحله ابتدایی Intital phase

٢. مرحله توسعه  Development Phase

٣. مرحله تثبیت Stabilization phase

٤. مرحله تعادل Equilibrium PhasesS

با وجوداینکه چهار مرحله فوق ارائه شده است اما نمی توان به راحتی مرز تشخیص برای مراحل فوق ارائه داد.مرحله اول ظرفیت آبشستگی بالایی دارد و حفره آبشستگی در این مرحله ایجاد می شود در مرحله دوم عمق و ابعاد حفره گسترش می یابد و در مرحله سوم روند تغییرات کاهش می یابد . در این مرحله تنها دیواره پایین دست حفره آبشستگی دستخوش تغییرات محسوس می شود نهایتاً در مرحله چهارم که مرحله تعادل است تنها حرکت ذرات درون حفره صورت می گیرد و ذرات  از درون حفره آبشستگی خارج نمی شوند .

آبشستگی از دو جنبه کلی به صورت زر تقسیم می شود :

الف -  انواع آبشستگی از نظر علت به وجود آمدن این پدیده

١- آبشستگی عمومی General  scour

این نوع آبشستگی زمانی رخ می دهد که در بازه ای از رودخانه سرعت برشی از سرعت بحرانی بالاتر باشد . در این حالت جریان آب ، ذرات بستر را در طول مسیر جا به جا و با خود حمل میکند و ذرات حمل شده به پایین دست منتقل می شوند و باعث کاهش تراز بستر رودخانه در همان بازه می شود .

 ٢- آبشستگی به جهت تنگ شدگی مقطع Constriction Scour

تنگ شدن مقطع باعث افزایش سرعت  جریان شده و در نتیجه قدرت فرسایشی جریان را در این محل افزایش میدهد .

٣- آبشستگی موضعی

این نوع آبشستگی ناشی از اثر یک سازه بر الگوی جریان در آن محل میباشد که به صورت موضعی و درپایین دست و یا اطراف  سازه مورد نظر و بطور کلی هر مکانی که شدت جریانهای متلاطم بطور موضعی افزایش یابد رخ می دهد . این نوع آبشستگی ممکن است به تنهایی و یا به همراه آبشستگی های دیگر باشد.

وقتی موانعی مثل اپی ، سرریز و هر نوع سازه هیدرولیکی که در مقابل جریان قرار گیرد، به علت اختلاف فشار هیدرواستاتیکی در بالادست و پایین دست سازه و همچنین برخورد جریان با این موانع وتغییر ناگهانی مسیر سرعتها و تنش های موضعی ، جریانهای گردابی در پیرامون مانع یا پایین دست سازه هیدرولیکی به وجودمی آید که عامل اصلی ایجادآبشستگی در اطراف موانع مزبور می باشد .

ب – انواع آبشستگی از نظر وضعیت حمل رسوب

از نظر وضعیت حمل رسوب این نوع آبشستگی خود به دو حالت زیر تقسیم می شود .

١- آبشستگی در حالت آب زلال  Clear waterscour

به شرایطی اطلاق می شود که مواد بستردست محدوده آبشستگی در جای خود ثابت باشند و به آستانه حرکت نرسیده باشند .

٢- آبشستگی در حالت آب حاوی رسوب Live bed scour

به شرایطی می شود که جریان در حمل رسوب باشد یعنی در بالادست سازه مورد مطالعه هم آبشستگی داشته باشیمو جریان ورودی به سازه همراه رسوب باشد .

١-٣- مکانیسم آبشستگی به وسیله جت ها

جدا شدن ذرات ، انتقال و تجمع رسوب بستگی به خواص مواد تشکیل دهنده و مشخصه های هیدرولیکی جریان دارد هیدرولیکی جریان دارد . عموماً گفته می شودکه مکانیزم آبشستگی شامل ترکیب دو حرکت نسبی می باشد . یکی حرکت میدان جریان نسبت به مرزها و دیگر حرکت مواد کف نسبت به جریان سیال روی آن . به محض این که جت به منطقه قابل فرسایش می رسد به دلیل سرعت زیاد و آشفتگی ، ذرات بستر را کند و با خود حمل میکند ، این عمل خیلیسریعانجام میگیرد . در ابتدا (برای زمان کوتاهی ) بعد عمودی چاله آبشستگی سریعتر از ابعاد افقی آن افزایش می یابد و در لحظات اول قسمت عمده مواد به صورت بار معلق حمل میشوند . سپس به تدریج چاله آبشستگی با زمان بزرگ و بزرگتر میشود . بدین صورت سطح مقطع جریان زیاد می شود و با توجه به قانون پیوستگی سرعت متوسط کاهش می یابد ،  بنابراین نرخ فرسایش کاهش یافته تا به حد بحرانی رسیده و در این زمان ، جریان قدرت حمل ذرات کف را نداشته و چاله آبشستگی به یک حالت تعادل می رسد. 

Abstract:

 The prediction of undemanding by water which is resulting from hydraulics structures is

one of the impo11ant issues in science of hydraulics, Several studies have been conducted

in this respect but due to complexity of this issue caused by simultaneous e1Iect of

water and sediment, there are many fields for study' in this case,

Surveying of different parameters such 'as water fall height discharge, depth of

downstream, angle of repose and their effect on maximum din1ensions of cavity of

undermining by water, is subject of this research.

According to results achieved:

I. The maximum of depth, width and length of cavil" of undermining by water

II. will increase upon increasing the discharge.           .

 Depth and width of cavity increase upon increasing water fall height but

length of cavity of undermining by water will decrease.

III-       Length, width and depth of cavity of Undel111ining by water will decrease

upon increasing the depth of downstream.

IV-       Depth and length of cavity of undermining by water will decrease but

width of

cavity of undermining bye  water will increase upon changing the angle of

repose from 0 to 45 degree up ward,

The  maximum of depth, length and width of cavity is measured for analysis of

dimensions of cavity or undermining by water and finally a relation according

dimension analysis is submitted for calculation of the maximum dimension of cavity

of

undermining by water.

Key words: fall  jet, cavity of undermining by water fall  height, depth of downstream,

angle of repose, discharge and dimensions analysis