هدف از این پایان نامه مطالعه آزمایشگاهی آبشستگی موضعی اطراف سری آبشکن های L شکل و تعیین شرابط آن می باشد
دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته ی مهندسی آب - سازه های آبی
مطالعه آزمایشگاهی آبشستگی موضعی اطراف سری آبشکن های L شکل و تعیین شرابط آن
چکیده
جهت انحراف جریان از ساحل فرسایش پذیر رودخانه و حفاظت دیواره خارجی رودخانه ها از سازه هایی مختلف، بایستی استفاده نمود و از آن جمله می توان گفت که آبشکن-های بسته یا نفوذناپذیر از جمله سازه های حفاظتی هستند که برای این منظور و حفاظت از حواشی آسیب پذیر رودخانه یا ایجاد شرایط مساعد پاکسازی مسیر از انباشته های رسوبی در رودخانه های با بار بستر زیاد استفاده نمود. در این نوع سازه ها سرعت جریان آب در میدان آبشکن تقلیل یافته و با ترسیب مواد رسوبی شرایط لازم پایداری در امتداد کناره ها فراهم می گردد. در عین حال سازه های آبشکن، هر چند با هدف رسوبگذاری و جلوگیری از فرسایش کناره ها و تثبیت موقعیت رودخانه احداث می گردند اما خود تحت تأثیر فرسایش ناشی از تمرکز جریان بخصوص در قسمت دماغه می باشند.
در قسمت دماغه، افزایش تنش های حاصله از افزایش سرعت و وقوع جریان چرخشی منجر به تشکیل چاله آبشستگی گردیده و سلامت و استحکام سازه را به مخاطره می اندازد. در این تحقیق با مطالعه آزمایشگاهی بر روی سری آبشکن های L شکل در شرایط آب زلال، آزمایشاتی با سه نوع دانه بندی مختلف، با تغییر در میزان دبی ورودی در سه حالت مختلف و با سه فاصله متغییر بین آبشکن ها انجام گرفته است و نتایج تحقیق نشان می دهد که در یک فاصله ثابت بین آبشکن ها هر چقدر دبی افزایش یابد میزان عمق آبشستگی افزایش می یابد. همچنین تغییر فاصله بین آبشکن ها اثر قابل توجه ای بر میزان عمق آبشستگی ایجاد شده در طول آبشکن اولی ایجاد نمی کند، بلکه بر روی فرسایش و رسوبگذاری بین آبشکن ها تاثیر می گذارد. در یک دبی ثابت با افزایش فاصله بین آبشکن ها، میزان نسبت عمق آبشستگی به عمق جریان روند کاهشی دارد و بیشترین میزان عمق آبشستگی در طول آبشکن اول اتفاق می افتد. همچنین در یک دانه بندی ثابت، با افزایش عدد فرود جریان، میزان نسبت عمق آبشستگی به عمق جریان روند افزایشی دارد.
کلمات کلیدی:
تعیین شرابط
عمق آبشستگی
فاصله بین آبشکن
آبشستگی موضعی
آبشکن های L شکل
حفاظت دیواره خارجی رودخانه ها
مقدمه
نیاز انسان به آب باعث شده تا اکثر تمدن های بشری در کنار رودخانه ها شکل بگیرند. انسان های اولیه با زندگی در کنار رودخانه ها بطور فطری و تجربی آموخته بودند که جهت استفاده بهینه از این منابع خدادادی، می باید رودخانه ها را دوست داشت و حتی در بعضی از فرهنگ های کهن آب و رودخانه بعنوان موجودی مقدس و حیات بخش مورد ستایش و احترام بود. با توسعه شهرنشینی و اجراءی طرح های عمرانی و دور شدن انسانها از رودخانه این دوستی گسسته شد و انسان با برداشت بی رویه شن و ماسه از بستر رودخانه، خانه و شهرک سازی در حریم و بستر رودخانه، احداث سازه های تقاطعی و غیره اقدام به تعرض به رودخانه و بر هم زدن رژیم متعادل و پایدار آن نمود. رودخانه ها به مثابه موجودات زنده ای هستند که در مقابل این تعارض، اقدام متقابل نموده و در نتیجه رژیم هیدرولیکی آن در یک روند تغیرپذیری، در رسیدن به تعادل مجدد، تلاش می نماید، مهندسی رودخانه علمی است که این اعمال اندرکنشی را بطور سیستماتیک، هماهنگ و هدایت خواهد نمود. به عبارتی دیگر مهندسی رودخانه شامل تمام مراحل برنامه ریزی، طراحی، اجراءء و بهره برداری از عملیات مختلفی است که به منظور بهبود وضعیت رودخانه در جهت استفاده بهتر از آن اعمال می گردد.
رودخانه ها شریان های اصلی حیات کلیه سازه های آبی محسوب می شوند و حفاظت و بهره برداری بهینه از آنها و همچنین حراست از بستر و حریم آنها از مهم ترین مسئولیت های وزارت نیرو می باشد. استفاده بهینه از رودخانه ها به لحاظ اهمیتی که این منابع طبیعی در برآورد نیازهای بشری، از دیرباز تاکنون داشته اند، از انگیزه های مهم به وجود آمدن شاخه دیگری از مهندسی آب به نام مهندسی رودخانه بوده است. به علت نزدیکی سازه های تغذیه کننده از آب رودخانه و زمین های کشاورزی اطراف رودخانه، نیاز به یک برنامه ریزی علمی جهت حفظ و حراست از این سازه ها، اجتناب ناپذیر می باشد. علمی که در مورد کلیه مراحل مطالعه و برنامه ریزی، طراحی، اجراءء و بهره برداری جهت بهبود و یا تغییر وضعیت موجود یک رودخانه به منظور برآورد نیازهای عمرانی بحث می کند، مهندسی رودخانه نامیده می شود. کلیه رودخانه ها در معرض تغییر و تحول قرار دارند و کارهای مهندسی رودخانه برای تغییر دبی، مطالعه بده رسوبی، مسیر رودخانه، عمق آبراهه، پهنه سیل گیر و کیفیت آب مورد نیاز می باشد. روش های معمول در راه رسیدن به این اهداف استفاده از سازه های مختلف به تنهایی یا ترکیبی از آنها مثل سد، سیل بند خاکی یا بتنی، پوشش بدنه، آبشکن یا به کار گرفتن راه حل های قدیمی مثل لایروبی می باشد. از جمله مباحث مهم در مهندسی رودخانه شناخت شکل رودخانه (مرفولوژی)، تثبیت سواحل و بستر رودخانه، کانالیزه کردن و کنترل سیلاب می باشد.
فهرست مطالب
فصل اول: کلیات
1-1. مقدمه 1
1-2. مرفولوژی رودخانه 2
1-2-1. تثبیت بستر رودخانه 3
1-2-2. تثبیت دیواره رودخانه 4
1-2-3. علل فرسایش دیواره ها 4
1-2-4. انواع فرسایش دیواره ها 4
1-2-5. راه حل های جلوگیری از فرسایش دیواره ها 5
1-3. آبشکن 9
1-3-1. اهداف ساخت آبشکن 10
1-3-2. مروری بر انواع آبشکن ها و نقش آنها در فرآیند فرسایش و رسوبگذاری 12
1-3-3. آبشکن های باز 13
1-3-4. آبشکن های بسته 14
1-3-5. انواع آبشکن های بسته از نظر قرارگیری نسبت به امتداد جریان 15
1-3-6. مصالح ساخت آبشکن 16
1-3-7. طبقه بندی آبشکن ها 17
1-4. تاریخچه علم رسوب 18
1-5. آبشستگی 20
1-5-1. فرایندهای آبشستگی 25
1-5-2. آبشستگی عمومی 26
1-5-3. افت سراسری تراز بستر 26
1-5-4. آبشستگی تنگ شدگی 27
1-5-5. آبشستگی در خمیدگی ها 28
1-5-6. آبشستگی در چند شاخه ها 28
1-5-7. آبشستگی موضعی 29
1-5-8. آبشستگی آب زلال 30
1-5-8. آبشستگی کل 32
1-5-8. آبشستگی استاتیکی و دینامیکی 32
1-6. اهداف 33
1-7. روش کار و محدوده تحقیق 33
1-8. نحوه تدوین پایان نامه 34
فصل دوم: مروری بر منابع تحقیق
2-1. مقدمه 36
2-2. طول و فاصله آبشکن ها 38
2-3. جهت آبشکن 42
2-4. نفوذپذیری 45
2-5. ارتفاع آبشکن، حالت تاج، شکل دماغه آبشکن 47
2-6. محاسبه زمان 48
2-7. اثر سرعت جریان 49
2-8. اثر اندازه رسوب 51
2-9. مکانیسم آبشستگی 52
2-10. مطالعه های صورت گرفته بر آبشستگی در زمینه آبشکن ها 54
2-11. رابطه های آزمایشگاهی 60
فصل سوم:مواد و روش تحقیق
3-1. مقدمه 63
3-2. وسایل آزمایشگاهی مورد استفاده 63
3-2-1. معرفی فلوم آزمایشگاهی و سیستم جریان بسته آب 63
3-2-2. موقعیت نصب آبشکن 64
3-2-3. توزیع اندازه ذرات 65
3-2-4. اندازه گیری دبی 69
3-2-5. اندازه گیری عمق 70
3-2-6. مشخصات آبشکن بکار رفته در آزمایش ها 70
3-2-7. تنظیم عمق در محل مورد نظر 71
3-3. نحوه انجام آزمایش ها 72
3-3-1. تعیین سرعت آستانه حرکت ذرات بستر 72
3-3-2. تنظیم عمق جریان توسط دریچه انتهایی 74
3-3-3. آزمایش های اولیه تعیین زمان تعادل 75
3-3-4. انجام آزمایش های اصلی 77
3-4. آنالیز ابعادی 78
3-5. الگوی جریان 80
3-5-1. الگوی جریان در اطراف یک آبشکن 80
3-5-2. الگوی جریان در بین دو آبشکن 82
3-6. آزمایش های مربوط به عمق آبشستگی و سری آزمایش ها 84
فصل چهارم:مشاهدات و تجزیه و تحلیل
4-1. تغییرات زمانی فرسایش و رسوبگذاری در طول دوره 23 ساعته 87
4-2. الگوی جریان اطراف آبشکن ها 89
4-3. رابطه عمق آبشستگی با قطر متوسط ذرات 92
4-4. تغییرات حداکثر عمق آبشستگی با عدد فرود 94
4-5. اثر فاصله بر روی حداکثر عمق آبشستگی نسبی 95
4-6. اثر فاصله بین آبشکن ها بر روی حداکثر عمق آبشستگی برای ذرات ثابت 97
4-7. فرسایش و توپوگرافی بستر 98
4-8. ارائه رابطه برازشی به منظور برآورد حداکثر عمق آبشستگی 104
فصل پنجم:نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات
5-1. نتیجه گیری 107
5-2. پیشنهادها 109
منابع 111
پیوست الف: سایر نمودارها 115
پیوست ب: عکس های اضافی 122
فهرست اشکال
شکل 1-1. نمایش اجزاء مختلف سازه آبشکن 11
شکل 1-2. وضعیت قرار گرفتن آبشکن نسبت به راستای جریان 11
شکل 1-3. تقسیم بندی آبشکن ها از نظر شکل هندسی 12
شکل 1-4. نمونه ای از آبشکن نفوذپذیر 13
شکل 1-5. مقطع یک آبشکن بسته (ساخته شده از سنگ) 15
شکل 1-6. پلان یک آبشکن بسته (ساخته شده از سنگ) 15
شکل 1-7. حالت کلی آبشکن های سه گانه مورد استفاده در رودخانه-ها از نظر انحراف جریان 16
شکل 1-8. مراحل توسعه حفره آبشستگی 21
شکل 1-9. فرسایش تنگ شدگی 27
شکل 1-10. عمق بستر در یک خمیدگی رودخانه 28
شکل 1-11. الگوی جریان، رسوب گذاری و فرسایش در تقاطع دو رودخانه 29
شکل 1-12. عمق آبشستگی به عنوان تابعی از زمان 31
شکل 1-13. اجزای آبشستگی 32
شکل 2-1: نمایش ابعاد طولی، زوایا و فاصله در انواع آبشکن ها 39
شکل 2-2: جریانات اطراف یک تکیه گاه پل 53
شکل 3-1: نمایی از فلوم آزمایشگاهی مورد استفاده در این تحقیق 64
شکل 3-2: رسوبات بکار گرفته شده برای آزمایش 66
شکل 3-3: دانه بندی ذرات ریزدانه 67
شکل 3-4: دانه بندی ذرات متوسط 67
شکل 3-5: دانه بندی ذرات درشت دانه 67
شکل 3-6: پلان و مقطع طولی فلوم آزمایشگاهی 68
شکل 3-7: طریقه چسباندن رسوبات بر روی بستر فلزی 69
شکل 3-8: دبی سنج حجمی 69
شکل 3- 9: عمق سنج دیجیتال 70
شکل 3-10: دریچه انتهایی تنظیم سطح آب 71
شکل 3-11: نمودار تغییرات سرعت بحرانی برای دانه یندی های مختلف 73
شکل 3-12: نمودار میزان آبشستگی بر حسب زمان 76
شکل 3-13: نمودار میزان آبشستگی بر حسب سرعت برشی 76
شکل 3-14: گسترش آبشستگی با گذشت زمان، برای به دست آوردن زمان تعادل 77
شکل 3-15: پارامترهای هندسی در آبشکن های L شکل 79
شکل 3-16: الگوی جریان اطراف یک آبشکن 81
شکل 3-17: الگوی جریان در اطراف تکیه گاه یا آبشکن 81
شکل 3-18: خط الراس و جدایی جریان در اطراف یک آبشکن منفرد در مسیر مستقیم 82
شکل 3-19: انواع الگوی جریان چرخشی بین آبشکن ها 83
شکل 4-1: فرآیند رسوبگذاری و فرسایش در طی 23 ساعت (1380 دقیقه) 89
شکل 4-2: جریان های چرخشی در طول و دماغه آبشکن ها 90
شکل 4-3: جریان های چرخشی در فضای بین ابشکن ها 90
شکل 4-4: رابطه عمق آبشستگی با قطر متوسط ذرات 93
شکل 4-5: رابطه عمق آبشستگی نسبی با عدد فرود 94
شکل 4-6: الگوی جریان ایجاد شده در محدوه آبشکن های بسته در حالات مختلف 95
شکل 4-7: نسبت عمق آبشستگی به عمق جریان در رابطه با نسبت فاصله بین آبشکن ها به طول آبشکن 97
شکل 4-8: نسبت عمق آبشستگی به عمق جریان در رابطه با نسبت فاصله بین آبشکن ها به عمق جریان 98
شکل 4- 9: پدیده آرمورینگ در اثر پدیده آبشستگی موضعی 99
شکل 4-10: نمای سه بعدی 101
شکل 4-11: توپوگرافی بستر فلوم برای دبی 40 لیتر بر ثانیه ،فاصله 12، ریزدانه 101
شکل 4-12: پروفیل طولی بستر،برای بیشترین فرسایش و بیشترین رسوبگذاری 101
شکل 4-13: نمای سه بعدی 102
شکل 4-14: توپوگرافی بستر فلوم برای دبی 40 لیتر برثانیه ،فاصله 12، درشت دانه 102
شکل 4-15: پروفیل طولی بستر، برای بیشترین فرسایش و بیشترین رسوبگذاری 102
شکل 4-16: نمای سه بعدی 103
شکل 4-17: توپوگرافی بستر فلوم برای دبی 40 لیتر برثانیه، فاصله 16، درشت دانه 103
شکل 4-18: پروفیل طولی بستر، برای بیشترین فرسایش و بیشترین رسوبگذاری 103
فهرست جداول
جدول 2-1: نسبت فاصله بین دو آبشکن متوالی (L) به طول موثر آبشکن ها (b) و به عرض بازه اصلاح شده (B2) در منابع مختلف 5
جدول 2-2: مقادیر پیشنهادی برای زاویه انحراف آبشکن 23
جدول 2-3: محدوده رسوب ها 32
جدول 2-4: رابطه های آبشستگی ارائه شده توسط محققان مختلف 32
جدول 3-1: مشخصات ذرات بکار رفته برای آزمایش 66
جدول 3-2: مشخصات مربوط به سرعت بحرانی (Uc) در آزمایش ها 72
جدول 3-3: محدوه تغییر پارامترهای موثر بر آبشکن ها 84
جدول 4-1: مشخصات داده های مربوط به ذرات درشت دانه 91
جدول 4-2: مشخصات داده های مربوط به ذرات با اندازه متوسط 92
جدول 4-3: مشخصات داده های مربوط به ذرات ریزدانه 92
جدول 4-4: مشخصات پارامترهای داده های آزمایش 105
