پایان نامه ها

آبشستگی، دریچه، كه، رسوب، سرریز، پاییندست

دبیهای عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی68

18849116456969
فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
يكي از عمده‌ترين مشكلات سازه‌هايي از قبيل سرريزها، دريچه‌ها و حوضچه‌هاي آرامش كه در بالادست بسترهاي فرسايش‌پذير قرار دارند، آبشستگي در مجاورت سازه است كه علاوه‌بر تأثير مستقيم بر پايداري سازه، ممكن است باعث تغيير مشخصات جريان و در نتيجه تغيير در پارامترهاي طراحي سازه شود. به دليل پيچيدگي موضوع، اكثر محققين آن را به صورت آزمايشگاهي بررسي كردهاند كه با وجود تمام دستآوردهاي مهمي كه تاكنون در زمينه آبشستگي موضعي حاصل گرديده است، هنوز هم شواهد زيادي از آبشستگي گسترده در پاياب دريچه‌ها، سرريزها، شيب‌شكن‌ها، كالورت‌ها و مجاورت پايه‌هاي پل ديده مي‌شود كه مي‌تواند پايداري اين سازهها را با خطرات جدي مواجه كند.
پديده آبشستگي زماني اتفاق مي‌افتد كه تنش برشي جريان آب عبوري از آبراهه، از ميزان بحراني شروع حركت ذرات بستر بيشتر شود. تحقيقات نشان داده است كه عوامل بسيار زيادي بر آبشستگي در پايين‌دست سازه تأثيرگذار هستند كه از جمله آنها مي‌توان به اندازه و دانه‌بندي رسوبات، عمق پاياب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و … اشاره كرد (کوتی و ین (1976)، بالاچاندار و همکاران (2000)، کلز و همکاران (2001)، لیم و یو (2002)، فروک و همکاران (2006)، دی و سارکار (2006) و ساراتی و همکاران (2008)).
دریچهها و سرریزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظیم جریان و تثبیت کف، در کانالهاي باز مورد استفاده قرار میگیرند. بر اثر جریان ناشی از جت عبوري از رو یا زیر سازهها، امکان ایجاد حفره آبشستگی در پاییندست سازهها وجود دارد که ممکن است پایداري سازه را به خطر اندازد؛ بنابراین تعیین مشخصات حفره آبشستگی مورد توجه محققین هیدرولیک جریان قرار گرفته است.
به منظور افزایش بهره‌وری از سازههای پرکاربرد سرریزها و دریچهها، می‌توان آنها را با هم ترکیب نمود به‌طوری‌که در یک زمان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. با ترکیب سرریز و دریچه می‌توان دو مشکل عمده و اساسی رسوب‌گذاری در پشت سرریزها و تجمع رسوب و مواد زائد در پشت دریچه‌ها را رفع نمود. در سازه ترکیبی سرریز- دریچه، شرایط هیدرولیکی جدیدی حاکم خواهد شد که با شرایط هیدرولیکی هر کدام از این دو سازه به‌تنهایی متفاوت است.
1-2 تعاریف1-2-1 سرریزها
یکی از سازههای مهم هر سد را سرریزها تشکیل میدهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازهگیری دبی جریان در کانالها مورداستفاده قرار میگیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام میدهند، باید سازهای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهرهبرداری آمادگی داشته باشد.
معمولاً سرريزها را بر حسب مهمترين مشخصه آنها تقسيمبندي ميكنند. اين مشخصه ميتواند در رابطه با سازه كنترل و كانال تخليه باشد. بر حسب اينكه سرريز مجهز به دريچه و يا فاقد آن باشد به ترتيب با نام سرريزهاي كنترلدار و يا سرريزهاي بدون كنترل شناخته ميشوند.
1-2-2 دریچهها
دریچهها سازههایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته میشوند. از دريچهها به منظور قطع و وصل و يا كنترل جريان در مجاري عبور آب استفاده میشود و از لحاظ ساختمان به گونهاي ميباشند كه در حالت بازشدگي كامل عضو مسدود كننده كاملاً از مسير جريان خارج ميگردد.
دريچهها در سدهاي انحرافي و شبکههاي آبياري و زهکشي کاربرد فراوان دارند. همچنين براي تخليه آب مازاد کانالها، مخازن و پشت سدها به کار ميروند (نواک و همکاران، 2004).
دریچهها به صورت زیر دستهبندی میشوند:
بر اساس محل قرارگیری: دریچههای سطحی و دریچههای تحتانی. دریچه سطحی تحت فشار کم و دریچه تحتانی تحت فشار زیاد قرار میگیرند.
بر اساس کاری که انجام میدهند: دریچههای اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهرهبرداری قرار میگیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده میشود.
بر اساس مصالح بدنه: دریچههای فولادی، آلومینیومی، بتنی مسلح، چوبی و پلاستیکی. دریچه فولادی به خاطر استقامت زیاد به صورت وسیع مورد استفاده قرار میگیرد.
بر اساس نوع بهرهبرداری: دریچههای تنظیم کننده دبی و دریچههای کنترلکننده سطح آب
بر اساس مکانیزم حرکت: دریچههای خودکار، هیدرولیکی، مکانیکی، برقی و دستی. دریچه خودکار بر اساس نیروی شناوری و وزن دریچه و بدون دخالت انسان کار میکند. دریچه هیدرولیکی بر اساس قانون پاسکال عمل مینماید. دریچه برقی از دستگاههای برقی، دریچه مکانیکی با استفاده از قانون نیرو و بازو و بالاخره دریچه دستی به صورت ساده با دست جابهجا میشوند.
بر اساس نوع حرکت: دریچههای چرخشی، غلطان، شناور و دریچههایی که در امتداد یا در جهت عمود بر جریان حرکت مینمایند.
بر اساس انتقال فشار آب: دریچهها ممکن است فشار را به طرفین یعنی به پایههای پل یا به تکیهگاهها منتقل نمایند و یا ممکن است نیروی فشار آب بر کف منتقل شود و یا ممکن است نیروی فشار آب به هر دو یعنی هم تکیهگاهها و هم بر کف منتقل شود.
1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچهتركيب سرريز – دريچه يكي از انواع سازههاي هيدروليكي ميباشد كه در سالهاي اخير عمدتاً براي عبور سيال در مواردي كه سيال حاوي سرباره و رسوب به صورت همزمان ميباشد (مانند كانال عبور فاضلاب) بكار رفته است. سازه ترکیبی سرریز – دریچه با تقسيم دبي عبوري از بالا و پايين خود از انباشت سرباره و رسوب در پشت سازه جلوگيري ميكند. از ديگر كاربردهاي عملي اين تركيب، ميتوان انواع سدهاي تأخيري را نام برد. در سدهاي تأخيري براي جلوگيري از انباشت رسوب در پشت سد كه منجر به كاهش حجم مفيد مخزن ميگردد اقدام به تعبيه تخليهكنندههاي تحتاني ميگردد. از طرف ديگر اين نوع سدها به علت برآورد اهداف طراحي و عبور سيلابهاي محتمل به صورت روگذر نيز عمل ميكنند كه از اين دو جهت، مدل تركيبي سرریز – دریچه ايده مناسبي براي تحليل اين نوع سدها ميباشد. اگرچه اين نوع سازه داراي كاربرد فراواني در سازههاي هيدروليكي ميباشد.
جهت به حداقل رساندن مشكلات در سرريزها و دريچه‌ها و همچنين جهت بالا بردن مزاياي آنها مي‌توان از سازه تركيبي سرريز – دريچه استفاده كرد به طوري كه در يك زمان، جريان آب بتواند هم از روي سرريز و هم از زير دريچه عبور نمايد. اين وسيله تركيبي مي‌تواند مشكلات ناشي از فرسايش و رسوبگذاري را مرتفع نمايد (دهقاني و همكاران، 2010).
همچنين با اين روش، رسوبات و مواد زائد در پشت سرريزها انباشته نمي‌‌‌شوند (ماخرک، 1985).
مشكلاتي را كه در اثر وجود مواد رسوبي يا شناور در آب انتقالي براي آبياري حاصل مي‌شود، مي‌توان با استفاده از سازه تركيبي سرريز – دريچه به مقدار زيادي كاهش داده که امكان اندازه‌گيري دقيق‌تر و ساده‌تر را به همراه دارد ( اسماعيلي و همكاران، 1385).
سيستم سرريز – دريچه امکان عبور جريان را از پايين و بالاي يک مانع افقي در قسمت مياني مجرا به طور همزمان فراهم نموده، بدين صورت که مواد قابل رسوب را در پشت دريچه به صورت زيرگذر و مواد شناور را به صورت روگذر سرريز عبور ميدهد (شکل 1- 1).
331470506095جریان عبوری از زیر دریچه
00جریان عبوری از زیر دریچه
267970163195جریان عبوری از روی سرریز
00جریان عبوری از روی سرریز
138620527622500143446560769500
شکل 1- 1 شماتيکي از جريان ترکيبي عبوری همزمان از روي سرريز و زير دريچهاز اينرو تعيين شکل و حداکثر عمق آبشستگي در پایيندست سرريز و دريچه ترکيبي به منظور تثبيت وضعيت بستر ميتواند مفيد واقع شود.
1-2-4 آبشستگیآبشستگی یکی از موضوعات مهم و قابل توجه در مهندسی رودخانه و هیدرولیک جریان در بسترهای آبرفتی میباشد. چنانچه در یک بازه مورد بررسی، مقدار رسوب وارد شده کمتر از مقدار رسوب خارج شده باشد، عمل فرسایش کف رودخانه و یا بدنه آن رخ میدهد و کف رودخانه بتدریج عمیق میشود. از جمله اثرات منفی گود شدن بستر رودخانه، میتوان به شکست برشی و لغزش در بستر و نیز گرادیان هیدرولیکی خروجی اشاره کرد که در نهایت، افزایش فشار بالابرنده و ایجاد پدیده تراوش را در پی دارد.
به فرسایش بستر و کناره آبراهه در اثر عبور جریان آب، به فرسایش بستر در پاییندست سازههای هیدرولیکی به علت شدت جریان زیاد و یا به فرسایش بستر در اثر بوجود آمدن جریانهای متلاطم موضعی، آبشستگی گویند. عمق ناشی از فرسایش بستر اولیه را عمق آبشستگی مینامند. (کتاب هیدرولیک کانالهای روباز، دکتر ابریشمی)
از آنجا که مکانیزم عمل آبشستگی در مکانهای مختلف متفاوت میباشد، از این رو آبشستگی را به دو نوع تقسیمبندی میکنند:
نوع اول آبشستگی تنگشدگی میباشد. این نوع آبشستگی در دو حالت اتفاق می‌افتد:
الف) در جایی که رودخانه هنوز به حالت تعادل نرسیده و پتانسیل حمل رسوب در بازه‌ای از رودخانه بیش از میزان رسوب ورودی به این بازه باشد.
ب) در جایی که سرعت جریان به دلایلی مانند کاهش مقطع رودخانه در محل پل‌ها، افزایش پیدا می‌کند که در مقطع تنگ شده آبشستگی اتفاق می‌افتد.
در محل احداث پل، آبشکن و یا دیواره ساحلی معمولاً عرض رودخانه را کاهش می‌دهند. این عمل باعث می‌شود که سرعت جریان در این محدوده افزایش یابد. در نتیجه به ظرفیت حمل رسوب افزوده شده و سبب خواهد شد تا بستر رودخانه در این محل فرسایش یابد. عمل فرسایش آنقدر ادامه می‌یابد تا ظرفیت حمل رسوب کاهش یافته و برابر با ظرفیت حمل رسوب در مقطع بالادست گردد. در این حالت، نرخ فرسایش در این محل کمتر می‌شود. هر چند این فرسایش موجب می‌شود که تأثیر پسزدگی آب در بالادست کاهش یابد ولی به خاطر این مسئله نباید اجازه داده شود تا فرسایش صورت گیرد زیرا آبشستگی باعث خطرات جدی مثل واژگونی پل می‌گردد.
نوع دیگر آبشستگی، آبشستگی موضعی است. این نوع آبشستگی در پاییندست سازههای هیدرولیکی، در محل پایههای پل و به طور کلی هر مکانی که شدت جریانهای درهم به طور موضعی افزایش یابد، بوجود میآیند.
آبشستگی موضعی پاییندست سازههای هیدرولیکی نظیر سدها، سرریزها، شوتها، سازههای پلکانی و … پدیده طبیعی است که به‌دلیل وجود سرعت محلی بیش از سرعت بحرانی بوجود میآید و دلایل آن را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
ناکافی بودن مقدار استهلاک انرژی
تشکیل پرش هیدرولیکی ناپایدار و یا انتقال پرش خارج از کف حوضچه آرامش
بوجود آمدن جریانهای گردابی در پاییندست سازههای هیدرولیکی
شکل (1- 2) چند نوع سازه هیدرولیکی و آبشستگی پاییندست آنها را نشان میدهد.

شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی (استاندارد آب و آبفا، 1389)
میزان عمق آبشستگی برای هر یک از سازهها بستگی به شرایط هیدرولیکی جریان و مشخصات رسوب و شرایط هندسی سازه دارد. تخمین میزان عمق آبشستگی از اینرو اهمیت دارد که ممکن است باعث تخریب سازه گردد.
به طور کلی آبشستگی در اثر اندرکنش نیروهاي زیر حاصل میشود:
1- نیروي محرك ناشی از جریان که در راستاي جدا کردن ذره از بستر عمل میکند.
2- نیروي مقاوم ناشی از اصطکاك ذرات و وزن ذره که در برابر حرکت ذره مقاومت کرده و مانع جدایی ذره از بستر میشود.
جریانها در محل وقوع آبشستگی، یک فرآیند دوفازی (آب و رسوب) است. بنابراین آبشستگی متأثر از متغیرهای بسیاری از قبیل پارامترهای جریان، مشخصات بستر آبرفتی، زمان و هندسه آبراهه میباشد. به همین دلیل، محققین هر یک به مطالعه بخشی از این وقایع پرداخته و آن را به صورت آزمایشگاهی و تجربی بررسی کردهاند.
1-3 ضرورت انجام تحقیقاز آنجایی که در سازه‌های ترکیبی سرریز – دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان، تغییرات در توزیع تنش‌های برشی کف و از این‌رو افزایش پیچیدگی محاسبات می‌شود، بنابراین شبیه‌سازی الگوی جریان، سطح آزاد آب و آبشستگی مورد توجه محققین قرار دارد و لذا در این تحقیق، علاوه بر بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان در بستر صلب، توانایی نرمافزار Flow3D در شبیه‌سازی عددی الگوی جریان و آبشستگی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت‌.
1-4 اهداف تحقیقتحقیق انجام شده به منظور پاسخگویی به اهداف زیر صورت گرفته است:
1- بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه در بستر صلب و مدلسازی عددی آن با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن دو
2- مدلسازی عددی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن با نتایج بدست آمده از بررسیهای آزمایشگاهی توسط محققین دیگر
3- ارزیابی دقت مدلهای تلاطمی نرمافزار Flow3D در شبیهسازیهای عددی الگوی جریان و آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز – دریچه در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی
4- محاسبه نسبت دبی عبوری از بالای سرریز به زیر دریچه با استفاده از مدل Flow3D
1- 5 ساختار کلی پایاننامهاین تحقیق در پنج فصل به شرح زیر تدوین شده است:
فصل اول- کلیات: که شامل مقدمهاي بر سرریزها، دریچهها و مبانی ترکیب این دو سازه بوده و همچنین در رابطه با هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاي هر کدام از سازههاي سرریز یا دریچه و یا سازه ترکیبی سرریز – دریچه کلیاتی ارائه گردیده است.
فصل دوم- بررسی منابع: در این فصل، پیشینه تحقیقها در زمینه هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز – دریچه، آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی و همچنین مطالعات انجام شده توسط نرم‌‌افزار Flow3D بررسی خواهد شد.
فصل سوم- مواد و روشها: این فصل شامل معرفی مواد و روشهای تحقیق، آشنایی با نرمافزار Flow3D و مراحل مدلسازی است.
فصل چهارم- نتایج و بحث: در این فصل، نتایج ارائه شده شامل دو بخش است. بخش اول مربوط به نتایج آزمایشات انجام شده در بستر صلب مربوط به جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز – دریچه و بخش دوم مربوط به نتایج شبیهسازی عددی الگوی جریان، پروفیل و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی است.
فصل پنجم- نتیجهگیری و پیشنهادها: این فص

متن کامل پایان نامه ها در 40y.ir

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *