تأثیر قرارگیری سازه نیم استوانه بر راندمان رسوب شویی تحت فشار مخازن

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

چکیده

این مطالعه به منظور توسعه روشی برای تخلیه رسوبات انجام شده تا به کمک آن بتوان بخشی از حجم مرده مخزن را بازیابی کرد. در این تحقیق با کارگذاری سازه­ نیم استوانه در جلوی تخلیه کننده تحتانی تأثیر این سازه­ در ایجاد جریان گردابی برای تخلیه رسوبات مورد آزمایش قرار گرفت. در زیر سازه شکاف­هائی در ارتفاع و طول­های مختلف ایجاد گردید به طوری که بالای شکاف هم سطح رسوبات در مخزن که آن قسمت نیز همتراز پایین دریچه بود. آزمایش­ها بر روی سازه نیم استوانه در قطر­ها و ارتفاع سطح آب مختلف انجام پذیرفت. بررسی­ها نشان داد که تغییرات حجم رسوب ­شویی در یک سطح آب حساسیت کمتری نسبت به طول شکاف دارد. در حالتی که نسبت قطر سازه به طول شکاف برابر 2 بود رسوب شویی بیشتری اتفاق افتاد. تغییرات حجم رسوب شویی نسبت به ارتفاع شکاف زیاد بوده به طوری که در نسبت ارتفاع شکاف به قطر سازه نیم استوانه برابر 6/0، حجم رسوب شویی به میزان قابل توجهی افزایش یافت. هم چنین با قطر سازه 5/2 برابر قطر تخلیه کننده، بیشترین حجم رسوب شویی حاصل شد و در این حالت حجم رسوب شویی نسبت به حالت بدون قرار­گیری سازه 30 برابر گردید.
a�] p �y0Opss=MsoNormal style='margin-left:21.25pt;text-align:justify;text-indent: -21.25pt;direction:ltr;unicode-bidi:embed'>Knight DW, Omran M, Tang X. 2007. Modeling depth-averaged velocity and boundary shear in trapezoidal channels with secondary flows. J HydEng 133(1): 39-47.
 
Molls Th and Chaudhry  H, 1995. Depth-averaged open-channel flow model, ASCE J HydEng 121(6) :453-465.
Prushansky, 233 p. Israel Program for Scientific Translations, Jerusalem.
Rozovskii I L, 1961.Flow of Water in Bends of Open Channels. Academy of Sciences of the Ukrainian SSR.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Semi-Cylinder Structure Position on Pressurized Flushing Efficiency of Reservoirs

نویسندگان [English]

  • Milad Abdollahpour
  • Ali Hossein zadeh dalir
چکیده [English]

This study is done with the purpose of developing an effective method to release sediment out of dam reservoirs. Semi-cylinder is employed in front of bottom outlet to enhance vortex flow and their effects were tested. On the semi-cylinder, gaps with different height and length were created in such a way that the top of the gap was in the bed level and as well as the bottom level of the outlet. The experiments were carried out on the semi-cylinder with different diameters and water levels. The results indicated that for a given water level flushing capacity was less sensitive to gap length. When the ratio of semi-cylinder diameter to length of gaps equals to 2, the maximum flushing capacity occurred. The flushing capacity variation with respected to the gap height is large, and when the ratio of gap height to diameter of the semi-cylinder was 0.6 flushing capacity increased significantly. Furthermore when diameter of semi-cylinder was 2.5 times larger than the bottom outlet diameter the maximum amount of flushing capacity was occurred. This flushing capacity was 30 times more than the rate in which no semi-cylinder was installed.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bottom outlet
  • Reservoir
  • Sediment flushing capacity
  • Semi-cylinder structure
  • Vortex flow

تأثیر قرارگیری سازه نیم استوانه برراندمان رسوب شوییتحت فشارمخازن

 

میلاد عبدالله پور1*و علی حسین زاده دلیر2

 

تاریخ دریافت: 13/02/91   تاریخ پذیرش: 11/06/91

1- دانشجوی کارشناسی ارشد سازه­های آبی، گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز.

2-استاد گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز.

*مسئول مکاتبه: Email: m.abdolahpour@yahoo.com

 

چکیده                                                       

 این مطالعه به منظور توسعه روشی برای تخلیه رسوبات انجام شده تا به کمک آن بتوان بخشی از حجم مرده مخزن را بازیابی کرد. در این تحقیق با کارگذاری سازه­ نیم استوانه در جلوی تخلیه کننده تحتانی تأثیر این سازه­ در ایجاد جریان گردابی برای تخلیه رسوبات مورد آزمایش قرار گرفت. در زیر سازه شکاف­هائی در ارتفاع و طول­های مختلف ایجاد گردید به طوری که بالای شکاف هم سطح رسوبات در مخزن که آن قسمت نیز همتراز پایین دریچه بود. آزمایش­ها بر روی سازه نیم استوانه در قطر­ها و ارتفاع سطح آب مختلف انجام پذیرفت. بررسی­ها نشان داد که تغییرات حجم رسوب ­شویی در یک سطح آب حساسیت کمتری نسبت به طول شکاف دارد. در حالتی که نسبت قطر سازه به طول شکاف برابر 2 بود رسوب شویی بیشتری اتفاق افتاد. تغییرات حجم رسوب شویی نسبت به ارتفاع شکاف زیاد بوده به طوری که در نسبت ارتفاع شکاف به قطر سازه نیم استوانه برابر 6/0، حجم رسوب شویی به میزان قابل توجهی افزایش یافت. هم چنین با قطر سازه 5/2 برابر قطر تخلیه کننده، بیشترین حجم رسوب شویی حاصل شد و در این حالت حجم رسوب شویی نسبت به حالت بدون قرار­گیری سازه 30 برابر گردید.

 

واژ‎های کلیدی: تخلیه کننده تحتانی، جریان گردابی، رسوب شویی، سازه نیم استوانه، مخزن

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Effect of Semi-Cylinder Structure Position on Pressurized Flushing

Efficiency of Reservoirs

M Abdolahpour1* and A Hosseinzadeh Dalir 2

 

Received: 2 May 2012  Accepted: 1 September 2012

1- M.Sc Student in Hydraulic Structures, Dept. of Water Engin., Faculty of Agric., Univ. of Tabriz, Iran.

2- Prof., Dept. of Water Engin,, Faculty of Agric,, Univ, of Tabriz, Iran.

*Corresponding Author Email: m.abdolahpour@yahoo.com

 

Abstract

This study is done with the purpose of developing an effective method to release sediment out of dam reservoirs. Semi-cylinder is employed in front of bottom outlet to enhance vortex flow and their effects were tested. On the semi-cylinder, gaps with different height and length were created in such a way that the top of the gap was in the bed level and as well as the bottom level of the outlet. The experiments were carried out on the semi-cylinder with different diameters and water levels. The results indicated that for a given water level flushing capacity was less sensitive to gap length. When the ratio of semi-cylinder diameter to length of gaps equals to 2, the maximum flushing capacity occurred. The flushing capacity variation with respected to the gap height is large, and when the ratio of gap height to diameter of the semi-cylinder was 0.6 flushing capacity increased significantly. Furthermore when diameter of semi-cylinder was 2.5 times larger than the bottom outlet diameter the maximum amount of flushing capacity was occurred. This flushing capacity was 30 times more than the rate in which no semi-cylinder was installed.

 

Keywords: Bottom outlet, Reservoir, Sediment flushing capacity, Semi-cylinder structure, Vortex flow.


مقدمه                                                       

     در رودخانه­های طبیعی مقدار رسوب ورودی و خروجی در یک بازه تقریباً در حالت تعادل می­باشد، با ساخت و ساز سد­ها در مسیر رودخانه­ها این تعادل به طور چشم­گیری به هم خورده و با کم شدن سرعت جریان آب، بازده تله اندازی زیاد شده و رسوبی منتقل نمی­شود. رسوبگذاری در مخازن سد­ها از جمله مسائل مهم و حیاتی می­باشد که باید در زمینه­ی بهره­برداری و بحث عمر مفید مخزن مد نظر قرار گیرد. رسوبگذاری حجم مفید مخزن را کاهش می­دهد. در دنیا حدود 40000 مخزن بزرگ برای تأمین آب، تولید انرژی و کنترل سیلاب وجود دارد و سالانه حدود300 الی 400 سد جدید برای ذخیره­سازی ساخته می­شود (وایت، 2000). رسوب زدایی یک امر ضروری است که برای حفظ ذخیره سازی طولانی مدت در مخازن سد­ها بکار می­رود. اگر رسوب ­زدایی بطور صحیح انجام شود دیگر نیاز به ساخت سد­های جدید کم شده و می­توان از هزینه­های اضافی جلوگیری کرد. رسوب شویی به دو صورت آزاد و تحت فشار در مخازن سد­ها انجام می­پذیرد. دررسوب شویی تحت فشار تراز آب بالاتر از تخلیه کننده تحتانی بوده و با باز کردن دریچه، آب از آن به صورت تحت فشار خارج می­گردد. فانگ وکائو (1996) بر اساس مطالعات آزمایشگاهی با استفاده از رسوبات شنی با قطر متوسط 15/0 میلی­متر گزارش نمودند که شیب طولی و جانبی مخروط رسوب شویی در حالت تعادل تقریبا مساوی یکدیگر می­باشد. در این تحقیق شیب در جهت طولی برابر با 5/31 درجه بدست آمد که مقداری کمتر از زاویه ایستایی برای رسوب مذکور (5/32) می­باشد. موریس و فان (1997) بیان نمودند که ابعاد مخروط رسوب شویی و مدت زمان لازم برای تشکیل و پایدار شدن ژئومتری آن، بستگی به عمق آب داخل مخزن، دبی خروجی از تخلیه کننده تحتانی، ارتفاع رسوبات و نوع رسوبات تجمع یافته دارد و ممکن است از چند ساعت تا چند روز ادامه یابد. طالب بیدختی و نقشینه (2004) در تحقیقی که در دانشگاه شیراز روی مدلی با اندازه متوسط ذرات پلیمر 4/2 میلیمتر انجام دادند بیان نمودند که میزان شسته شدن رسوبات با افزایش دبی جریان ارتباط مستقیم دارد. حکمت و شفاعی بجستان (1385) تخلیه رسوبات را با استفاده از موج ناگهانی در سه نمونه رسوبات انجام دادند و بیان کردند در موج­های ابتدایی پیوند بین ذرات سست شده و موج­های بعدی باعث می­شود رسوبات با سرعت بیشتر تخلیه گردد. امامقلی­زاده و همکاران (1386) در بررسی که انجام دادند عواملی همچون عمق آب داخل مخزن، دبی جریان خروجی از تخلیه کننده، ابعاد تخلیه کننده، ژئومتری مخزن، اندازه و نوع رسوبات تجمع یافته را در تخلیه رسوبات مؤثر دانستند و بیان کردند در کمترین ارتفاع آب، بیشترین ظرفیت تخلیه رسوبات اتفاق می­افتد.مشکاتی و همکاران (1388) تأثیر ابعاد دریچه تحتانی را بر روی حجم و ابعاد مخروط رسوب شویی مورد مطالعه قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که افزایش قطر دریچه راندمان رسوب شویی را افزایش می­دهد. آلتوس (2011) تأثیر قرار­گیری جت آب را در مخزن رسوبات بر افزایش میزان رسوبات تخلیه شده مورد بررسی قرار داد و بیان کرد که در حالت بدون اعمال جت آب، مدت زمان لازم برای رسوب شویی دو برابر حالتی است که جت آب در مخزن کار گذاشته شود. همچنین در این مدت، در حالت بدون جت آب، 80 درصد رسوبات نسبت به حالت با جت تخلیه می­شود. جلیلی و حسین زاده دلیر (2012) تحقیقاتی در مورد رسوب شویی تحت فشار روی مدل آزمایشگاهی انجام دادند. ایشان با بکار گیری سازه نیم استوانه و ایجاد یک اندازه شکاف روی سازه نیم استوانه تحقیقاتی انجام دادند سازه جلوی تخلیه کننده تحتانی کارگذاری شده و از بالای درچه شروع شده و تا کف مخزن ادامه داشت. آنها بیان نمودند که با افزایش قطر سازه نیم­استوانه مقدار تخلیه رسوبات افزایش می­یابد و مقدار رسوبشویی حدود 15 برابر بیشتر از حالت بدون کارگذاری آن است.

 جلیلی و حسین زاده دلیر (2012) روی یک اندازه شکاف تأثیر رسوب شویی را بررسی کردند همچنین ایشان سازه را از دریچه به کف ادامه دادند. با توجه به تحقیقات انجام شده در این تحقیق سعی بر آن شده است که طول و عرض شکاف به عنوان متغیر در نظر گرفته شود و اندازه شکاف بهینه بدست آید. همچنین سازه از دریچه به تا بالا ادامه دارد. تعداد قطرهای سازه نیم استوانه نیز بیشتر در نظر گرفته شد. هدف از این تحقیق بررسی تأثیر تقویت و ایجاد جریان گردابی در مقابل تخلیه کننده تحتانی با ایجاد شکاف­هائی در سازه نیم استوانه و بدست آوردن قطر و شکاف بهینه روی سازه می­باشد.

 

مواد و روش­ها

مدل آزمایشگاهی

     آزمایش­ها در آزمایشگاه هیدرولیک گروه مهندسی آب دانشگاه تبریز در مخزنی به شکل مکعب مستطیل انجام گرفت. مدل مخزن دارای سه قسمت اصلی می­باشد: 1- قسمت ورودی مدل 2- مخزن رسوبات 3- قسمت اندازه­گیری جریان خروجی از مدل (حوضچه ته‎نشینی رسوبات). آب مورد نیاز از طریق مخزن زیر زمینی به مخزن هوایی پمپاژ شده و از مخزن هوایی، مدل تغذیه می­شود. مخزن رسوبات به شکل مکعب مستطیل و به ابعاد 120سانتی­متر طول، 100 سانتی­متر عرض و 85 سانتی­مترارتفاع می­باشد. در قسمت ورودی مخزن از یک آرام کننده جریان استفاده شد تا جریان متلاطم وارد مخزن نگردد. همچنین رسوبات در مخزن به ارتفاع 28 سانتی­متر از کف مدل تا قسمت پایینی دریچه تحتانی انباشته شد (شکل 1- ب). به منظور رسوب شویی، یک تخلیه کننده تحتانی با مقطع دایره­ای شکل به قطر 08/5 سانتی­متر در خط مرکزی مخزن در نظر گرفته شد. رسوبات پس از خروج از تخلیه کننده تحتانی وارد حوضچه ته­نشینی رسوبات می­شد. حوضچه به شکل مکعب مستطیل در ابعاد 100 سانتی­متر طول، 60 سانتی­متر عرض و 55 سانتی­متر ارتفاع می­باشد. جریان از حوضچه ته­نشینی به مخزن اصلی برگشته و دبی جریان به صورت حجمی اندازه­گیری می­شد. شکل 1 پلان و پروفیل طولی مدل آزمایشگاهی را نشان می­دهد.

 

تئوری و آنالیز ابعادی

     با باز شدن دریچه تخلیه کننده تحتانی مخروط رسوب شویی در جلوی دریچه تشکیل می­شود. دبی رسوب خروجی (Qs)، بستگی به پارامتر­های متفاوتی داردو تابعی از: ارتفاع سطح آب در مخزن ( )، شتاب ثقل ( )، چگالی رسوبات نهشته شده ( )، چگالی آب ( )، قطر ذره رسوبات ( )، قطر دریچه تخلیه کننده تحتانی ( )، لزوجت دینامیکی سیال ( )، قطر سازه نیم استوانه (Da)، ارتفاع شکاف در زیر نیم استوانه (Ha) و طول شکاف در سطح نیم استوانه (La) می­باشد.

 

 

 

شکل1- پلان و پروفیل طولی مدل آزمایشگاهی به همراه مشخصات آن.

 

 

در حالت کلی می توان نوشت:

]1[                                                                                              

 

 

رابطه 1 را با بکارگیری روش باکینگهام به صورت رابطه 2 می­توان نوشت

]2[                                                                                              

 

 

با توجه به اینکه ، ،  و D در تمام آزمایشات ثابت می­باشند و همچنین پارامتر  بیانگر تأثیر نیروی لزوجت بوده (عدد رینولدز) که در این تحقیق مقدار این پارامتر حدوداً 35000 بوده، لذا از تأثیر این پارامتر­ها می­توان صرف نظر کرد و رابطه 2 را می­توان به شکل رابطه 3 نوشت.

]3[                                                                                              

 

 

انجام آزمایش­ها

     برای انجام آزمایش­ها از رسوبات غیر چسبنده با قطر متوسط  51/0  میلی­متر و با جرم مخصوص 1700 کیلوگرم بر متر­مکعب استفاده گردید. آزمایش­ها در سه ارتفاع سطح آب 15، 30 و 50 سانتی­متر انجام گرفت. در ارتفاع سطح آب 15 سانتی­متر با تمام بازشدگی دریچه تحتانی (شیر فلکه 2 اینچی) حداکثر دبی 2 لیتر بر ثانیه از آن می­توان تخلیه کرد. بنابراین تمام آزمایش­ها با دبی ثابت 2 لیتر بر ثانیه در سه ارتفاع سطح آب (Hw) 15، 30 و50 سانتی­متر برای هر مدل انجام گرفت. در این آزمایش­ها برای ایجاد و تقویت جریان گردابی در جلوی تخلیه کننده تحتانی از سازه­ نیم استوانه­ای استفاده گردید. با قرارگیری این سازه­، جریان گردابی با قدرت بیشتری تشکیل شده و رسوبات بیشتری را از جلوی تخلیه کننده تحتانی به پایین­دست منتقل می­کند. آزمایش­ها با قرار گیری سازه­ در جلوی محور مرکزی تخلیه کننده تحتانی و چسبیده به بدنه بالادست دیواره مخزن انجام گرفت. با توجه به اینکه ارتفاع مخزن در بالای رسوبات 55 سانتی­متر می­باشد و با کار گذاری سازه نیم استوانه به قطر 4/25 سانتی­متر نهایت ارتفاع مورد استفاده 55 سانتی­متر می­باشد به همین دلیل ارتفاع سازه 2 برابر قطر آن (51 سانتی­متر) انتخاب گردید و همه قطرهای نیم استوانه نیز به تبعیت از این موضوع و انجام آزمایش در یک شرایط، این نسبت برای همه قطرها اعمال گردید.

     سازه­های نیم استوانه از جنس پی وی سی انتخاب گردید. برای ایجاد جریان گردابی شکافی در سطح نیم استوانه­ها ایجاد شد. ابتدا آزمایش­ها روی نیم استوانه­های به قطر 7/12 سانتی­متر و 24/15 سانتی­متر با ایجاد شکاف­هائی با طول قوس متفاوت (La) و ارتفاع شکاف ثابت (Ha) انجام پذیرفت و طول قوس بهینه­ایی که در آن بیشترین مقدار رسوب­شویی اتفاق می­افتد تعیین شد. سپس در طول قوس بهینه ارتفاع شکاف­ها تغییر داده شد به طوری که در هر آزمایش بالای شکاف مماس و هم سطح رسوبات انباشته شده در مخزن باشد. جداول 1 و 2 مشخصات مدل­های آزمایش برای قطر­های مذکور را نشان می­دهد که در آن مدل­ها با Ai,j نشان داده شده­اند که اندیس اول مربوط به قطر نیم استوانه و اندیس دوم شماره مدل آن را نشان می­دهد.

 

 

 

 

 

 

جدول1- مشخصات مدل سازه نیم استوانه با قطر 7/12 سانتی­متر.

A5،7

A5،6

A5،5

A5،4

A5،3

A5،2

A5،1

مدل

Da= 7/12

Ha=55/2

La=35/6

Da= 7/12

Ha=27/1

La=1/3

Da= 7/12

Ha=27/1

La=2/4

Da= 7/12

Ha=27/1

La=35/6

Da= 7/12

Ha=27/1

La=5/8

Da=7/12

Ha=27/1

La=2/10

Da= 7/12

Ha=27/1

La=7/12

مشخصات مدل

 

A5،13

A5،12

A5،11

A5،10

A5،9

A5،8

مدل

 

Da= 7/12

Ha=2/10

La=35/6

Da= 7/12

Ha=9/8

La=35/6

Da= 7/12

Ha=6/7

La=35/6

Da= 7/12

Ha=35/6

La=35/6

Da= 7/12

Ha=1/5

La=35/6

Da= 7/12

Ha=8/3

La=35/6

مشخصات مدل

*تمام واحد ها در جدول بر حسب سانتیمتر می­باشد.

 

جدول2- مشخصات مدل سازه نیم استوانه با قطر 24/15 سانتی­متر.

A6،7

A6،6

A6،5

A 6،4

A6،3

A6،2

A6،1

مدل

Da=24/15

Ha=1/3

La=7/7

Da=24/15

Ha= 52/1

La=8/3

Da=24/15

Ha=52/1

La=1/5

Da=24/15

Ha= 52/1

La=7/7

Da=24/15

Ha= 52/1

La=2/10

Da=24/15

Ha= 52/1

La=2/12

Da=24/15

Ha= 52/1

La=24/15

مشخصات مدل

 

A6،13

A6،12

A6،11

A6،10

A9،6

A6،8

مدل

 

Da=24/15

Ha=2/12

La=7/7

Da=24/15

Ha=6/10

La=7/7

Da=24/15

Ha=2/9

La=7/7

Da=24/15

Ha=6/7

La=7/7

Da=24/15

Ha=1/6

La=7/7

Da=24/15

Ha=6/4

La=7/7

مشخصات مدل

* تمام واحد ها در جدول بر حسب سانتی­متر می­باشد. 

 

 

بعد از پیدا کردن ارتفاع و طول قوس مناسب ادامه آزمایش­ها روی نیم استوانه­های با قطرهای 08/5، 62/7، 16/10، 7/12، 24/15، 82/20 و 4/25 سانتی­متر تکرار شد. تمامی مدل ها در هر 3 ارتفاع سطح آب، مورد آزمایش قرار گرفت. تعداد 93 آزمایش بر روی سازه نیم استوانه و تعداد 3 آزمایش بدون کار گذاری سازه انجام پذیرفت که در نهایت 96 آزمایش انجام پذیرفت. شکل 2 مدل نیم­استوانه و نحوه قرار گیری آن در جلوی دریچه را نشان می­دهد.

 

 

 

شکل2-  نمای مدل و پلان مخزن رسوبات با کارگذاری سازه نیم استوانه.

 


در ابتدای هر آزمایش مخزن به تدریج پر از آب می­شد. پس از رسیدن آب به ارتفاع مورد نظر تخلیه­کننده­ تحتانی باز ­می­گردید. در مراحل اولیه آزمایش­ رسوبات با غلظت بیشتری از دریچه خارج شد و با گذشت زمان غلظت خروجی کاهش یافت به طوری که تغییرات ابعاد حفره بعد از گذشت 60 دقیقه ناچیز بود. آزمایش­ها تا زمانی که حفره رسوب­ شویی به تعادل برسد ادامه ­یافت، بر اساس نظر کومار و همکاران (1999) زمان تعادل زمانی است که در مدت زمان 3 ساعت تغییرات کمتر از یک میلی­متر باشد. هر چه ارتفاع سطح آب کمتر می­شد زمان تعادل برای شکل­گیری مخروط رسوب­شوئی نیز کاهش می­یافت، لذا با در نظر گرفتن ارتفاع سطح آب 50 سانتی­متر (بیشترین ارتفاع سطح آب) زمان تعادل برای تمام آزمایش­ها 60 دقیقه در نظر گرفته شد. پس از اتمام هر آزمایش برای اینکه شکل مخروط رسوب شویی تغییر نکند ابتدا شیر ورودی به مخزن را بسته سپس دبی خروجی از تخلیه کننده تحتانی با کم کردن دور شیر خروجی، کاهش می­یافت. زهکشی مخزن توسط شیر آب خروجی که در انتهای مخزن در قسمت آرام کننده قرار داشت انجام می­گردید.

 

 

 

 

نتایج و بحث

     کارگذاری سازه­های نیم استوانه جلوی تخلیه کننده تحتانی باعث می­شود که قبل از اینکه بخشی از  حجم مرده مخزن که در مقابل دریچه قرار می­گیرد پر شود و دریچه غیر قابل استفاده شود رسوبات جلوی دریچه شسته شود. جریان­های شعاعی با سرعت زیاد در بالادست دریچه وجود دارد که باعث انتقال رسوبات می­گردد. با کارگذاری این سازه نزدیک دریچه، زمانی که جریان­های شعاعی با سرعت بالا به دریچه نزدیک می­شوند با گذر از شکاف سازه نیم استوانه به جریان گردابی تغییر شکل داده و رسوبات ته­نشین شده را از بستر جدا می­سازند (جلیلی و حسین زاده دلیر 2012). بر اساس تحقیقات پاول (2007) دو عدد گرداب چرخشی از زیر دریچه در دو طرف محور مرکزی ایجاد می­گردد که این گرداب­ها برای بالا بردن رسوبات از کف مخزن کمک می­کند (شکل3- ب). در سازه نیم استوانه مورد آزمایش شکاف­هایی با طول­ (La) و ارتفاع­ (Ha) روی سازه نیم استوانه ایجاد گردید. شکاف­ها باعث می­شد که هنگام باز شدن دریچه، جریان آب با فشار زیاد وارد نیم استوانه شود و قدرت جریان گردابی چند برابر شده و رسوبات بیشتری از دریچه خارج شود. شکل 3 نحوه تشکیل جریان گردابی را داخل سازه نشان می­دهد.

 

 

شکل3-  پلان و نمایی از نیم استوانه و جریان گردابی (جلیلی و حسین زاده دلیر 2012).

 

 

 جدول 3 حجم حفره رسوب شویی را برای سازه با قطر 7/12 سانتی­متر بر حسب سانتی­متر مکعب نشان می­دهد.  بررسی­ها نشان داد که ابتدا با ثابت نگه داشتن Ha (1/0 ) بیشترین افزایش به ترتیب 380، 300 و 385 درصد نسبت به حالت بدون قرارگیری سازه برای ارتفاع سطح آب 50، 30 و 15 سانتی­متر مربوط به مدل 5،4Aمی­باشد. سپس با مشخص شدن طول شکاف بهینه 2  ارتفاع شکاف تغییر داده شد که در این حالت بیشترین رسوب شویی مربوط به 6/0  بود. بررسی­ها به طور کلی نشان داد در سازه نیم استوانه با قطر 7/12 سانتی­متر زمانی که در آن نسبت پارامتر­های بی­بعد 2  و 6/0  برقرار باشد، حجم رسوب شویی در ارتفاع آب 50، 30 و 15 سانتی­متر به ترتیب به میزان 30، 17 و 13 برابر نسبت به حالت بدون قرارگیری نیم استوانه افزایش می­یابد. همانطور که در  تحلیل ابعادی مشخص گردید از پارامتر بدون بعد   (رابطه 4 ) برای نمایش نتایج حاصل از این آزمایش­ها در مقابل سایر پارامتر­ها استفاده شد که در شکل­های 4 و5 برای سازه با قطر 7/12 سانتی­متر به تفکیک نشان داده شده است.

]4[

 

 

 

                                                                                                                                             

جدول3- مقایسه مدل­های مختلف نیم استوانه با قطر 7/12 سانتی­متر در افزایش رسوب شویی.

حجم رسوب شویی (cm3)

   

مدل سازه

نیم استوانه

Hw=15cm

Hw=30cm

Hw=50cm

749

353

238

1/0

1

A5،1

756

362

268

1/0

25/1

A5،2

782

374

291

1/0

5/1

A5،3

853

379

296

1/0

2

A5،4

794

315

286

1/0

3

A5،5

759

300

276

1/0

4

A5،6

947

426

379

2/0

2

A5،7

1074

715

682

3/0

2

A5،8

1435

1012

953

4/0

2

A5،9

2029

1191

1156

5/0

2

A5،10

2501

1735

1915

6/0

2

A5،11

2735

1624

1768

7/0

2

A5،12

2941

1629

1618

8/0

2

A5،13

 

 

 

همان­طور که در شکل 4 مشاهده می­شود تغییرات مقدار حجم رسوب شویی نسبت به طول قوس (La) کمتر بوده به طوری که تغییرات حجم رسوب شویی در حالت ماکزیمم نسبت به دیگر حالت­ها برای ارتفاع آب 15، 30 و 50 سانتی­متر به ترتیب برابر 5/11، 11 و 9 درصد افزایش نشان می­دهد. در مقایسه عملکرد طول قوس مشاهده می­شود به ازای کاهش ارتفاع آب از 50 به30 سانتی­متر (کاهش ارتفاع به میزان 40 درصد) حجم رسوب شویی به میزان 9/25 درصد افزایش می­یابد و با کاهش ارتفاع آب از 50 به 15 سانتی­متر حجم رسوب شویی به میزان 183 درصد افزایش می­یابد. بنابراین این نتیجه حاصل می­شود که با کاهش سطح آب در مخزن، حجم رسوب شویی افزایش می یابد. شایان ذکر است که حجم رسوب شویی برای حالت بدون قرار­گبری سازه برای ارتفاع­های 50، 30 و 15 سانتی­متر به ترتیب برابر 62، 94 و 177 سانتی­متر مکعب می­باشد. همان طور که در شکل 5 نیز مشخص است در ارتفاع سطح آب 50 و 30 سانتی­متر با افزایش ارتفاع شکاف، مقدار رسوب شویی افزایش می­یابد تا جایی که نسبت Ha به Daبرابر 6/0 باشد و در ارتفاع سطح آب 15 از این نسبت به بعد شیب نمودار کاهش می­یابد یعنی نسبت تغییرات کمتر می­شود. قابل ذکر است که با کاهش ارتفاع سطح آب از 50 به 30 سانتی­متر حجم رسوب شویی تغییر چندانی نداشته و تنها 5/1 درصد افزایش نشان می­دهد ولی با کاهش ارتفاع آب از 50 به 15 سانتی­متر حجم رسوب شویی به میزان 62 درصد افزایش نشان می­دهد. علت بالا بودن درصد افزایش شستشوی سطح آب 15 سانتی­متر از دیگر سطوح آب­ می­تواند این باشد که با انتخاب ارتفاع سازه­های نیم استوانه به اندازه 2 برابر قطر نیم استوانه، در ارتفاع سطح آب 50 و 30 سانتی­متر، سازه­ها در آب مستغرق بوده ولی در ارتفاع 15 سانتی­متر مستغرق نبوده و سطح بالای نیم استوانه به حالت باز و آزاد می­باشد و گرداب­های چرخشی به صورت آزادانه می­توانند حرکت کرده به همین دلیل دارای قدرت بیشتری بوده و رسوبات بیشتری را منتقل می­کنند. در ادامه برای اطمینان از نتایج آزمایش­ها تمامی آزمایش­ها برای سازه نیم استوانه با قطر 24/15 سانتی­متر در همان شرایط که برای سازه با قطر 7/12 سانتی­متر قبلاً گفته شد انجام گردید. جدول 4 حجم رسوب شویی برای نیم استوانه به قطر 24/15 سانتی­متر را نشان می­دهد.

 

 

جدول4- مقایسه مدل­های مختلف سازه نیم استوانه با قطر24/15 سانتی­متر در افزایش رسوب شویی

حجم رسوب شویی (cm3)

   

مدل سازه

نیم استوانه

Hw=15cm

Hw=30cm

Hw=50cm

665

594

238

1/0

1

A6،1

765

682

285

1/0

25/1

A6،2

876

744

321

1/0

5/1

A6،3

976

776

338

1/0

2

A 6،4

818

468

335

1/0

3

A6،5

824

453

332

1/0

4

A6،6

1141

897

735

2/0

2

A6،7

1574

871

771

3/0

2

A6،8

2088

1071

882

4/0

2

A6،9

3331

1179

1018

5/0

2

A6،10

4202

1328

1749

6/0

2

A6،11

5125

747

965

7/0

2

A6،12

6109

744

1000

8/0

2

A6،13

 

 

 

 

     با بررسی شکل­ 6 مشاهده گردید که برای سطح آب 50 سانتی­متر زمانی که طول شکاف از قطر تخلیه کننده کمتر می­شود حجم رسوب شوئی افزایش پیدا می کند. این افزایش رسوب ­شوئی تا زمانی که طول شکاف برابر با نصف قطر سازه نیم استوانه بشود ادامه پیدا می­کند اما بعد از آن با کاهش طول شکاف میزان رسوب شویی ثابت باقی می ماند. شکل 6 هم چنین نشان می­دهد که برای سطح آب 30 و 15 سانتی­متر با کاهش طول شکاف تا نصف قطر سازه نیم­استوانه میزان رسوب ­شوئی به شدت افزایش یافته اما بعد از آن کاهش چشمگیری در رسوب شویی دیده می­شود. لذا این نتایج نشان می­دهد که طول شکاف نباید از نصف قطر سازه کمتر باشد. در شکل 7 که تغییرات حجم رسوب شویی در طول شکاف ثابت 7/7 سانتی­متر را نشان می­دهد، مشاهده می­شود که در ارتفاع سطح آب 50 و30 سانتی­متر زمانی که  ارتفاع شکاف 6/0 برابر قطر سازه شود تقریباً مقدار رسوب شویی ثابت بوده ولی در این نسبت حجم حفره به میزان 96 و 50 درصد برای ارتفاع سطح آب 50 و30 سانتی­متر، نسبت به دیگرحالت­ها افزایش می­یابد و پس از آن نمودار روند کاهشی از خود نشان می­دهد. در ارتفاع آب 15 سانتی­متر هم مشاهده شد که حجم رسوب شویی به علت مستغرق نبودن سازه همیشه در حال افزایش می­باشد ولی از حالتی که ارتفاع شکاف 6/0 برابر قطر سازه می­شود شیب خط افزایشی کمتر می­شود.

     با بررسی و مقایسه حجم آبشویی مربوط به سازه نیم استوانه با قطر24/15 سانتی­متر و مقایسه آن با آبشویی سازه با قطر 7/12 سانتی­متر مشاهده گردید همان روند آزمایش­ها در این سازه نیز وجود دارد و بیشترین افزایش درصد رسوب­شوئی زمانی صورت می­پذیرد که در آن نسبت پارامتر­های بی بعد 2  و 6/0  بر قرار باشد.  بنابراین برای بدست آوردن قطر سازه­ی نیم استوانه بهینه که در آن بیشترین رسوب­شوئی اتفاق می­افتد آزمایش­ها بر روی نیم استوانه­های با قطرهای مختلف انجام گرفت.

با توجه به انتخاب ارتفاع سازه نیم استوانه که دو برابر قطر سازه ­بود و با انتخاب ارتفاع 8/50 سانتی­متر برای سازه 4/25 سانتی­متر تنها ارتفاع ممکن برای مقایسه قطرهای مختلف و مستغرق بودن آنها در شرایط یکسان ارتفاع سطح آب 50 سانتی­متر انتخاب شد بنابراین مقایسه بیشترین حجم رسوب شویی در ارتفاع سطح آب 50 سانتی­متر انجام پذیرفت. جدول 5 درصد افزایش حجم رسوب شویی برای نیم استوانه­های با قطرهای 08/5 ، 62/7 ، 16/10 ، 7/12، 24/15، 82/20 و 4/25 سانتی­متر را نشان می­دهد. در آزمایش با قطر­های مختلف که باAi  نشان داده شده اندیس، مربوط به قطر سازه نیم استوانه می­باشد. شکل 8 حجم رسوب شویی را برای قطر­های نیم استوانه در ارتفاع سطح آب 50 سانتیمتر نشان می­دهد.

 

 

جدول 5- حجم رسوب شویی و درصد افزایش آن برای نیم استوانه با قطر­های مختلف.

درصد افزایش رسوب شویی

حجم رسوب شویی

(cm3)

     

مدل

957

653

6/0

2

1

A2

1250

834

6/0

2

5/1

A3

1838

1197

6/0

2

2

A4

3000

1915

6/0

2

5/2

A5

2733

1749

6/0

2

3

A6

243

215

6/0

2

4

A8

143

150

6/0

2

5

A10

 

    

 

نتایج بررسی­ها نشان داد که بیشترین رسوب ­شویی برای 5/2   اتفاق می­افتد ( Da قطر نیم استوانه و D قطر دریچه خروجی می­باشد.) که مربوط به قطر 7/12 سانتی­متر است که حجم رسوبشوئی در حدود 30 برابر گردید. همچنین بررسی ها نشان داد که در قطرهای بزرگ نیم استوانه­ (82/20 و 4/25سانتی­متر)، رسوبات کمتری به پایین دست منتقل می­شود که شاید این مساله با تشکیل گرداب­های ضعیف­تر در داخل سازه در ارتباط بوده باشد. به طور کلی با افزایش قطر سازه نیم استوانه به 5/2 برابر قطر تخلیه کننده تحتانی حجم حفره به طور چشمگیری افزایش می­یابد. در نهایت می­توان نتیجه گرفت که قطر سازه نصب شده نباید بیشتر از 3 برابر قطر تخلیه کننده و نیز همچنین کمتر از 5/2 برابر تخلیه کننده تحتانی باشد تا بیشترین عملکرد را داشته باشد.

 

تأثیر ارتفاع سازه  نیم سازه استوانه بر روی رسوب شویی

     همان طور که در شکل­های 5 و 7 مشاهده شد با کاهش ارتفاع سطح آب به 15 سانتی­متر نمودار­ها روند افزایشی از خود نشان دادند. در این حالت سازه­های نیم استوانه از حالت مستغرق خارج شده وگرداب­های داخل نیم استوانه می­توانند آزادانه در داخل آن حرکت کنند و با قدرت بیشتری رسوبات زیادی را منتقل کنند. به همین دلیل در آزمایش­های بعدی تأثیر ارتفاع نیم استوانه ( Hs) برای کارگذاری جلوی تخلیه کننده تحتانی مورد بررسی قرار گرفت. در این آزمایش­ها که بر روی سازه­ی نیم استوانه با قطر­های مختلف انجام گرفت ارتفاع سطح آب ثابت و برابر 40 سانتی­متر در نظر گرفته شد و هر سازه نیم استوانه چنان کار گذاشته شد که به ترتیب سازه 10 سانتی­متر بیرون از سطح آب، همتراز با سطح آب و 10 سانتی­متر زیر سطح آب قرار گرفت. لازم به توضیح است که در حالت سوم سازه به صورت مستغرق عمل نمود. همچنین شکاف­های بهینه نیز در پایین سازه ایجاد گردید (2  و 6/0 ).

     جدول 6 حجم رسوب شویی را برای سازه­هایی با ارتفاع کارگذاری مختلف نشان می­دهد. شایان ذکر است که حجم رسوب شویی در حالت بدون قرار­گیری سازه برای ارتفاع سطح آب 40 سانتی­متر برابر 5/82 سانتی­متر مکعب می­باشد.

 

 

 

جدول 6- حجم رسوب شویی با ارتفاع کارگذاری (Hs)مختلف .

حجم رسوب شویی (cm3)

مدل

Hs=30cm

Hs=40cm

Hs=50cm

427

744

735

A2

668

947

935

A3

1126

1482

1461

A4

1753

2124

2088

A5

1618

3694

3676

A6

276

5500

5471

A8

 

   

 

همان­طور که در جدول 5 مشاهده می­شود با کاهش ارتفاع سازه حجم رسوب شویی کاهش می­یابد. زمانی که ارتفاع سازه بالاتر یا همتراز سطح آب باشد حجم رسوب شویی تقریباً مساوی و بیشتر از حالتی است که سازه در آب مستغرق باشد همچنین کاهش حجم رسوب شویی در حالت مستغرق بودن سازه در نیم استوانه­هایی با قطر بزرگتر بیشتر بوده و در نیم استوانه با قطر 82/20 سانتی­متر بطور متوسط حجم رسوب شویی به میزان 95 درصد کاهش از خود نشان می­دهد. پس می­توان نتیجه گرفت هر چه ارتفاع سازه نیم استوانه از سطح آب بیشتر باشد گرداب­های تشکیل شده داخل نیم استوانه با قدرت بیشتری رسوبات را تخلیه نمایند.

 

نتیجه­گیری کلی

     نتایج حاصل از آزمایشات نشان داد که با کارگذاری سازه­ی نیم استوانه در جلوی تخلیه کننده تحتانی حجم رسوب ­شوئی افزایش می­یابد به عبارت بهتر یک جفت گرداب چرخشی در داخل سازه نیم استوانه در دو طرف محور مرکزی دریچه بوجود می­آید. شدت گرداب­ها بستگی به ارتفاع شکاف ایجاد شده بر روی سازه دارد. آزمایش­ها روی سازه با قطر­های 7/12 و 24/15 سانتی­متر نشان داد که شدت جریان گردابی نسبت به تغییرات طول شکاف زیاد حساس نمی­باشد ولی با این حال بیشترین مقدار رسوب شویی زمانی اتفاق می­افتد که طول شکاف ایجاد شده نصف قطر سازه نیم استوانه باشد. با کاهش طول شکاف تا نصف قطر سازه نیم استوانه میزان رسوبشوئی به شدت افزایش یافته اما بعد از آن کاهش چشمگیری در رسوب شویی دیده می­شود. لذا این نتایج نشان می­دهد که طول شکاف نباید از نصف قطر سازه کمتر باشد. از طرفی اثر ارتفاع شکاف روی حجم رسوب شویی بیشتر بوده و بیشترین مقدار رسوب شویی زمانی اتفاق می­افتد که ارتفاع شکاف 6/0 قطر سازه نیم استوانه باشد، در این حالت شدت جریان گردابی بیشتر شده و رسوبات بیشتری از دریچه خارج می­گردد.

     همچنین نتایج نشان داد که با کاهش ارتفاع سطح آب از 50 به 30 سانتی­متر افزایش حجم رسوب شویی نسبت به کاهش ارتفاع از 50 به 15 سانتی­متر به اندازه34 درصد کمتر بوده است. علت این است که با انتخاب ارتفاع سازه­های نیم استوانه به اندازه 2 برابر قطر نیم استوانه در ارتفاع سطح آب 50 و 30 سانتیمتر سازه­ها در آب مستغرق بوده ولی در ارتفاع 15 سانتی­متر سازه نیم استوانه به حالت غیر مستغرق بوده و در این حالت رسوبات بیشتری  منتقل می­شدند. با کارگذاری سازه نیم استوانه با قطر­های مختلف و با شکاف­های ایجاد شده معین مشخص گردید که نیم استوانه­ با قطر 5/2 برابر قطر دریچه تخلیه کننده تحتانی، بیشترین حجم رسوب شویی را تولید می­نماید و در این حالت حجم رسوب شوئی به میزان 30 برابر حالت بدون سازه افزایش یافت.

 

 

منابع مورد استفاده

امامقلی زاده ص، بینا م، قمشی م و جهانی ح، 1386. بررسی و ارزیابی رسوب شوئی تحت فشار در سد­های مخزنی با استفاده از مدل فیزیکی. مجله تحقیقات منابع آب ایران. جلد سوم، شماره 1. صفحه­های 68 تا 79.

 حکمت ک و شفاعی بجستان م، 1385. شرایط تخلیه رسوب چسبنده از مجاری تحت فشار با استفاده از موج ناگهانی. هفتمین سمینار بین المللی مهندسی رودخانه، 24-26 بهمن ماه، اهواز، دانشگاه شهید چمران اهواز.

مشکاتی م‎ا، دهقانی ا‎ا ،ناصر غ، امامقلی زاده ص و ابراهیمی ف، 1388. تأثیر ابعاد دریچه تحتانی بر حجم و ابعادمخروط آبشستگی در رسوب­شویی تحت فشار. هشتمین سمینار بین المللی مهندسی رودخانه، 6-8 بهمن ماه، اهواز، دانشگاه شهید چمران اهواز.

Althous J, 2011. Sediment evacuation from reservoirs through intakes by jet induced flow. PhD Thesis. Ecole  Polytechnique Federale De Lausanne, Swiss.

Fang D and Cao S, 1996. An Experimental study on scour funnel in front of a sediment flushing outlet of a Reservoir. Pp. I.78-I.84. Proceedings of the 6th Federal Interagency Sedimentation Conference. 10-14 March, Las Vegas, USA

Jalili H and Hosseinzadeh Dalir A,  2012. Extend the vortex flow around the reservoirs sluice gate, Proceeding of  the First International Conference on Dams and Hydropower.7-9 February, Tehran, IRAN.

Kumar V, Rango Raju KG, Vittal N, 1999. Reduction of local scour around bridge piers using slots and collars. Journal of Hydraulics Engineering ASCE 125(12): 1302-1305.

Morris L G and Fan J, 1997. Reservoir Sedimentation Handbook. Design and   Management of Dams, Reservoirs, and Watersheds for Sustainable Use, McGraw-Hill, New York.

Talebbeydokhti­­­­­­ N and Naghshineh A, 2004. Flushing sediment through reservoirs. Iranian Journal of Science & Technology Transaction B 28:119-136

Powell N D, 2007. Sediment transport upstream of orifice. PhD Thesis, Clemson University. South Carolina  UMI Number: 3290698.

White R, 2000. Flushing of Sediments from Reservoirs, ICOLD. World Register of Large Dams, HR Wallingford, UK.

 

 

امامقلی زاده ص، بینا م، قمشی م و جهانی ح، 1386. بررسی و ارزیابی رسوب شوئی تحت فشار در سد­های مخزنی با استفاده از مدل فیزیکی. مجله تحقیقات منابع آب ایران. جلد سوم، شماره 1. صفحه­های 68 تا 79.
 حکمت ک و شفاعی بجستان م، 1385. شرایط تخلیه رسوب چسبنده از مجاری تحت فشار با استفاده از موج ناگهانی. هفتمین سمینار بین المللی مهندسی رودخانه، 24-26 بهمن ماه، اهواز، دانشگاه شهید چمران اهواز.
مشکاتی م‎ا، دهقانی ا‎ا ،ناصر غ، امامقلی زاده ص و ابراهیمی ف، 1388. تأثیر ابعاد دریچه تحتانی بر حجم و ابعادمخروط آبشستگی در رسوب­شویی تحت فشار. هشتمین سمینار بین المللی مهندسی رودخانه، 6-8 بهمن ماه، اهواز، دانشگاه شهید چمران اهواز.
Althous J, 2011. Sediment evacuation from reservoirs through intakes by jet induced flow. PhD Thesis. Ecole  Polytechnique Federale De Lausanne, Swiss.
Fang D and Cao S, 1996. An Experimental study on scour funnel in front of a sediment flushing outlet of a Reservoir. Pp. I.78-I.84. Proceedings of the 6th Federal Interagency Sedimentation Conference. 10-14 March, Las Vegas, USA
Jalili H and Hosseinzadeh Dalir A,  2012. Extend the vortex flow around the reservoirs sluice gate, Proceeding of  the First International Conference on Dams and Hydropower.7-9 February, Tehran, IRAN.
Kumar V, Rango Raju KG, Vittal N, 1999. Reduction of local scour around bridge piers using slots and collars. Journal of Hydraulics Engineering ASCE 125(12): 1302-1305.
Morris L G and Fan J, 1997. Reservoir Sedimentation Handbook. Design and   Management of Dams, Reservoirs, and Watersheds for Sustainable Use, McGraw-Hill, New York.
Talebbeydokhti­­­­­­ N and Naghshineh A, 2004. Flushing sediment through reservoirs. Iranian Journal of Science & Technology Transaction B 28:119-136
Powell N D, 2007. Sediment transport upstream of orifice. PhD Thesis, Clemson University. South Carolina  UMI Number: 3290698.
White R, 2000. Flushing of Sediments from Reservoirs, ICOLD. World Register of Large Dams, HR Wallingford, UK.