خلاصه پایان نامه بررسی زمانی آبشستگی پایین دست جت های ریزشی با استفاده از مدل سازی فیزیکی
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد” M.sc “
مهندسی عمران -سازه های هیدرولیکی
چکیده :
پدیده آبشستگی یک جریان دو فاز ی شامل آب و رسوب م ی باشد که به روش نظر ی کمتر مورد برر سی و تحلیل قرار گرفته است و عموماً از مطالعات صحرایی یا آزمایشگاه ی برا ی شبیه سازی شرایط خاص استفاده شده است .
درک و استنباط از فرایند های فیزیکی و مدل کردن حرکت آب و رسوب در رودخانه ها
, مصب ها و سواحل در سالها ی اخیر پیشرفت ها ی زیاد ی داشته است . اگر چه این پیشرفت ها به سیستم ها ی مدل ها ی آماده ریاض ی منجر شده است , لیکن این تحقیقات , موضوعات پژوهشی جدید ی را هم مطرح ساخته اند ,که یک ی از این موضوعات تعامل زما نی بین جت ها ی ریزشی و رسوب در یک رودخانه می باشد .
تحقیقات حاضر بر اساس آزمایشات صورت گرفته رو ی مدل فیزیک ی شامل مدل جت برخوردی و رسوب شکل گرفته است .
در این تحقیق به بررس ی تغییرات پروفیل طو لی و عرض ی حوزه آبشستگی , بررس ی تغییرات ابعاد حفره آبشستگی و تغییرات ابعاد برآمد گی رسوبات ناشی از حفره آبشستگی در پایین دست آن در اثر تغییرات پارامتر های ارتفاع ریزش و عمق پایاب در زمان پرداخته شده است .
بر اساس مشاهدات آزمایشگاه ی عمق و عرض حفره آبشستگی و نیز ارتفاع برآمد گی رسوبات با افزایش زمان افزایش می یابد .
اما نقطه قابل توجه روند تاثیر زمان و تاثیر عمق پایاب م ی باشد که جا ی بررس ی و توجیه بسیار دارد .
برای هر شکل لوله که از دب ی خاص نیز برخوردار م ی باشد ارتفاع ها ی ریزش cm ۳۵ ,۶۵cm
, ۹۵cm در نظر گرفته شد و آزمایشات در زمانها ی ۵ , ۱۰ , ۳۰ , ۶۰ , ۱۸۰ و ۳۰۰ دقیقه برداشت شد و مورد تحلیل قرار گرفت .
در این آزمایشات حداکثر عمق آبشستگ ی hs , حداثر عرض حفره آبشستگیWS حداکثر طول حفره LS و طول کل تاثیر گرفته از پدیده LSt و نیز حداکثر ارتفاع تپه حاصل از آبشستگی Hm برداشت گردید .
انتخاب ابعاد فوق پس از چند آزمایش مقدمات ی صورت گرفت تا بتوان از این طریق به تحلیل فرمول DOT که یک فرمول تجربی مهم بدست آمده توسط اداره حمل و نقل ایالات متحده می باشد , پرداخت . در بررسیها ی مقدما تی مشخص شد که تاثیر درصد تغییرات ارتفاع پایاب فوق العاده مؤثرتر از تاثیر درصد تغییرات ارتفاع ریزش می باشد .
و نیز نتیجه گیری شد که تغییرات ارتفاع پایاب و ارتفاع ریزش بیشترین تاثیر را بر عمق حفره می گذارند و کمترین تاثیر را بر طول و طول کل در مجموع مشخص گردید طول و طول کل بسیار زودتر به حد نهایی و تعادل خود در زمان می رسند .
در انتها با جایگذار ی مقادیر ثابت و مقادیر بدست آم ده مشخص شد که فرمول DOT عل ی رغم اینکه فرمول نسبتاً مناسب ی جهت تخمین ابعا د آبشستگی در زمان مناسب م ی باشد , لیکن تاثیر ارتفاع پایاب را که بسیار مهمتر از تاثیر ارتفاع پایاب م ی باشد در خود جا ی نداده است . جهت اصلاح فرمول DOT در تخمین نتایج این آزمایشات , ضرایب اصلا حی ارائه گردید
مقدمه :
بحث آبشستگی دارای قدمتی دیرینه در علم هیدرولیک است و هیدرولیک رودخانه و شرایط ریخت شنا سی و ژئوتکنیک ی آن ارتبا طی تنگاتنگ با این پدیده دارند ؛ به همین دلیل پیچید گی هایی خاص بر این بحث سایه افکنده و موجب شده است همچنان مورد توجه خاص محققین علم هیدرولیک و مهندسین عمران باشد .
آبشستگی از جمله مواردی است که تحت تاثیر ایجاد سازه ها ی آبی در فرآیند طبیعی سیستم ها ی آ بی نمود پیدا م ی کند و در واقع جایی که بشر به لحاظ تامین منابع آب ی , که به نوعی اصل ی ترین نیاز بشر م ی باشد در سیستم هماهنگ طبیعت دست م ی برد به دنبال آن سازه هیدرولیکی نظام هماهنگ جریان و حمل رسوب را به هم می زند .
در پایاب ها که سرعت بیشتر است و نیز در تنگ شد گی مقاطع که سرعت جریان افزایش می یابد این پدیده تاثیر منفی بسزایی دارد .
عملکرد ایمن سازه ها ی آب ی در دراز مدت م ی بایست تضمین شود ؛ از آنجا که حفاظت کامل بستر رودخانه ها در مقابل این پدیده پیچیده , تاثیر پذیر و بسیار گران است و گاه هزینه ها ی تحقیقات و حفاظت تا ۵۰ درصد هزینه طرح را در بر م ی گیرد , لازم است با مطالعات آزمایشگاهی رو ی مدل ها ی هیدرولی کی در شرایط خاص عوامل موثر بر این پدیده را به صورت جداگانه و نیز با هم مورد بررس ی و کنکاش قرار داد تا از این منظر بتوان دامنه گسترش این پدیده و خطرات ناشی از آن و عوامل موثر و البته تاثیرگذارتر را , برای طراحان سازه های هیدرولیکی عیان نمود .
اگر چه مطالعات گسترده ای در زمینه آبشستگی عمومی و آبشستگی محلی مخصوصاً روی جت ها صورت گرفته است و انواع جت ها شامل عمود ی , افق ی و پرتا بی تحلیل شده است , لیکن در هیچ ک دام از موارد فوق روابط جام عی برا ی بررس ی رفتار و خصوصیات حفره آبشستگیارائه نگردیده است . البته در مورد آبشستگی ناشی از جت های ریزشی آزاد یا همان پرتابی مطالعات وسی عی انجام شده است . روابط تجرب ی و آزمایشگا هی مختلف ی نیز ارائه گردیده است . لیکن وضوح این امر کاملا محسوس است که در شرایط خاص و برای هر طرح خاص می بایست چندین مدل با شرایط خاص طرح , طراحی گردد و قطعاً بررسی کامل این پدیده مستلزم مطالعات خاص هیدرولیکی , مورفولوژی و ژئوتکنیکی می باشد .
برای مقابله با آبشستگ ی و کمینه ساز ی ابعاد گودال آبشستگی , اغلب ح فاظت از بستر پیش بینی می گردد به این ترتیب گودال ها ی آبشستگی که خطر ی بالقوه برا ی پایدار ی سازه ا ی بوده و سازه آبی را تهدید می کند به محل دیگری منتقل می گردد .
مطالعات انجام شده در این پایان نامه در پنج فصل به شرح ی که در ادامه آورده شده است می تواند راه گشای محققین و مهندسین باشد . لیکن مجدداً تاکید م ی گردد که بررس ی پیچیدگی ها ی خاص این پدیده از طریق مدل ساز ی نیاز به ماه ها , حت ی سالها آزمایش دارد و تحقیق حاضر م ی تواند صرفاً بعنوان راهنما مورد استفاده قرار گیرد . چه البته ممکن است در برخی موارد این تحقیق با توجه به شرایط پروژه ای خاص قابل بهره برداری کلی نیز باشد .
در ذیل پیرامون مباحث اصلی فصول این رساله شرح مختصری آورده شده است .
فصل اول :
این فصل شامل مقدمه , تعریف مسئله مورد بررس ی و هدف از انجام پایان نامه م ی باشد و می تواند به عنوان مقدمه ا ی جهت مطالعه سایر فصول بوده و اطلاعات کل ی ر ا در مورد پایان نامه بیان می نماید .
فصل دوم :
در این فصل مرور ی بر روی مطالعات قبلی انجام گرفته پیرامون موضوع و به صورت خاص جت ها ی پرتا بی انجام گرفته است و سع ی شده تاحد امکان مطالعات موجود جمع آور ی گردد . نیز با بررس ی مطا لعات انجام شده با هدف راهبرد ی , در نهایت به ضرورت اجتناب ناپذیر اجرا ی پایان نامه حاضر و بحث پیرامون زمان به عنوان فاکتور ی مهم , در پدیده آبشستگی اشاره شده است .
فصل سوم :
در این فصل علاوه بر بحث و بررس ی پیرامون طراح ی و ساخت مدل و نحوه انجام آزمایشات , در انتها به فرمول DOT که یکی از تازه ترین فرمولهای ارائه شده جهت بررسی آبشستگی زمانی می باشد , اشاره شده و تحلیل ابعادی این فرمول آورده شده است .
شایان ذکر است که فرمول DOT و تجزیه و تحلیل این فرمول یکی از اسای ترین ارکان تشکیل دهنده این پایان نامه می باشد .
فصل چهارم :
نتایج آزمایشات در این فصل با توجه به پارامترها ی مختلف دسته بندی و تحلیل گردیده است و تاثیرات تغییر پارامترها تک تک و تواماً بررسی شده است .
در نهایت این مباحث موجب ارائه ایراداتی به معادله DOT گردیده است و ضرایب اصلاحی پیشنهادی برای این معادله ارائه گردیده است .
فصل پنجم :
و در نهایت در این فصل نتایج نهایی حاصل از تحقیق ارائه گردیده است و راهکارها و پیشنهاداتی به منظور ادامه کار ارائه شده است تا این جوانب مسئله از طر یق مطالعات و تحقیقات سایر محققان بیشتر و بهتر باز شود .
فصل اول
تعریف مسئله مورد بررسی و هدف از انجام پایان نامه
١-١ - جت ها و سر ریز های نوع سقوط آزاد
درابتدا لازم است مختصری راجع به جت ها وسرریز های نوع سقوط آزاد ١ در سازه های
هیدرولیکی بحث شود .
جت ها در اثر عبور آب از زیر , درون یا رو ی سازه ها ی آب ی بوجود م ی آیند . به طور کل ی جت ذرات رسوب را بلند کرده و به پائین دست محل برخورد حمل م ی کند . در نتیجه محل برخورد جت به یک کاهنده انرژی جریان تبدیل شده و حفره آبشستگی شکل می گیرد . اشکال متعدد جت ها شامل جت های برخوردی ٢, جت های مستغرق ٣, جت های افقی و قائم ٤ و جت های دو و سه بعدی ٥ می باشند . انواع مختلف از جت ها شامل جت ها ی برخوردی که بر رو ی بستر ی فرسایش پذیر برخورد م ی کنند و جت ها ی افق ی که مصالح بستر را بلافاصله در پایاب سازه م ی شویند , باعث ایجاد آبشستگی در پایین دست بناهای آبی می گردند . بعلاوه بین جت ها ی ح لقو ی و مسطح و بین جت ها ی مستغرق و غیر مستغرق , تفاوت بسیاری وجود دارد . واژه جت برخوردی به جت های آبی اتلاق می گردد که در اثر تخلیه آب از یک خروج ی واقع در بالا ی سط حی آزاد یا عبور جریان از درون مجرا ی س ازه آبی , با سطح آزاد ی برخورد کند . با احداث سد ی بزرگ , تخلیه گاه به گاه آب به پائین دست جهت مصارف مختلف غیرقابل اجتناب است . تخلیه آب ممکن است برای تولید انرژی برق آبی , تامین آب کشاورزی یا تخلیه سیل ها ی مازاد بر ظرفیت نگهدار ی مخزن صورت گیرد . آبشستگی در پائین دست جهت مصارف مختلف سازه ها ی آب ی به دلیل وقوع مکرر ی که در مهندسی دارند , زمینه ا ی پراهمیت برا ی پژوهش بوده اند . در شکل (۱-۱) انواع جت ها بطور شماتیک نشان داده شده اند . در حال حاضر معادلات آبشستگی فراگیری که توانائی قبول جریانهای متفاوتی در پائین دست بناهای آبی را داشته باشد , وجود ندارد . فرآیند آبشستگی بسیار پیچیده بوده و به اندرکنش بین عوامل هیدرولیکی و ژئوتکنیکی بستگی دارد . پارامترهای طرا حی مهم با توجه به آبشستگ ی جت ها عبارت از عمق آبشستگی متعادل , طول و عرض حفره آبشستگی می باشند.
شکل ١- ١: ( انواع جت ها )
انتخاب خروجی سقوط آزاد معموًلا به علت فشار برخورد٦ و شستشوی بسیار شدیدی که در بستر ایجاد می کند ,آنچنان متداول نمی باشد . از این نوع سازه فقط در محلهایی می توان استفاده کرد که شرایط زمین شناسی آن از نقطه نظر استحکام خیلی عالی باشد . نیز درآنها غالباً یک بالشتک آب ایجاد می گردد , تا شدت تصا دم جت آب با بستر کاهش پیدا کند . توماس ٧ متذکر می گردد که حداکثر دبی برای این نوع سازه ها نباید از ٨ متر مکعب بر ثانیه بیشتر باشد و در مواردی که ارتفاع متوسط بیش از ١٠٠متر باشد , می بایست تمهیدات خاصی اندیشید . برای مقابله با تاثیر ارتعاشات ٨ پیشنهاد می نماید که تیغه ریزشی ٩ پایدار بوده و بصورت کامل هوادهی شود . [۱]
(نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است)
فهرست پایان نامه بررسی زمانی آبشستگی پایین دست جت های ریزشی با استفاده از مدل سازی فیزیکی
فهرست:
چکیده
مقدمه
فصل اول : تعریف مسئله مورد بررسی و هدف از انجام پایان نامه ۱
١-١ جت ها و سر ریز های نوع سقوط آزاد ............................................................................................................. ۲
١-٢ تاریخچه علم رسوب ............................................................................................................................................................... ۵
١-٣ تعریف آبشستگی ....................................................................................................................................................................... ۷
١-٤ مختصری راجع به تاثیر مصالح بستر و مسئله مورد بررسی .................................................. ۷
١-٥ هدف از انجام پایان نامه .................................................................................................................................................... ۸
فصل دوم : مروری بر تحقیقات و مطالعات انجام گرفته پیرامون موضوع پایان نامه ۱۰
٢-١ مقدمه ..................................................................................................................................................................................................... ۱۱
٢-٢ آبشستگی ناشی از انواع جت ها ............................................................................................................................... ۱۱
٢-٢-١ آبشستگی ناشی از جت های عمودی ....................................................................................................... ۱۱
٢-۳-١ گروه اول آبشستگی ........................................................................................................................................................ ۱۵
۲-۳-٢ گروه دوم روابط آبشستگی ..................................................................................................................................... ۱۷
٢-۳-۳ گروه سوم روابط آبشستگی ................................................................................................................................... ۱۸
٢-۳-٤ گروه چهارم معادلات آبشستگی ...................................................................................................................... ۱۹
٢-۳-٥ گروه پنجم روابط آبشستگی ................................................................................................................................ ۱۹
٢-۴ تاثیر هوای ورودی به جت در میزان آبشستگی .................................................................................... ۲۶
٢-۵ رسوبات غیرچسبنده دربررسی های شیلدز................................................................................................. ۲۸
٢-۶ رسوبات چسبنده ....................................................................................................................................................................... ۳۱
٢-۷ مشخصه های جریان ............................................................................................................................................................... ۳۴
٢-۸ بررسی پارامترهای مورد بررسی در این پایان نامه به صورت موردی ............................ ۳۵
٢-۸-١ اصول کلی مسئله ............................................................................................................................................................. ۳۵
٢-۸-٢ تاثیر شکل کالورت .......................................................................................................................................................... ۳۶
٢-۸-٣ تاثیر نوع خاک ..................................................................................................................................................................... ۳۸
٢-۸-٤ تاثیر شیب کالورت .......................................................................................................................................................... ۳۹
٢-۸-٥ تاثیر ارتفاع کالورت در بالای بستر ............................................................................................................... ۴۱
٢-۸-٦ روش پیشنهادی (DOT) ........................................................................................................................................ ۴۷
. ٢-۸-٦-١ هندسه حفره آبشستگی ................................................................................................................................... ۴۸
٢-۸-٦-٢ زمان آبشستگی ......................................................................................................................................................... ۴۸
٢-۸-٦-٣ دیواره های اطراف ...................................................................................................................................................... ۴۸
٢-۸-٦-٤ ارتفاع سقوط ..................................................................................................................................................................... ۴۹
٢-۸-٦-٥ شیب ........................................................................................................................................................................................ ۴۹
٢-۸-٦-٦ روش طراحی .................................................................................................................................................................. ۵۰
فصل سوم : طراحی و ساخت مدل آزمایشگاهی و چگونگی انجام آزمایشات ۵۱
٣-١ مقدمه ...................................................................................................................................................................................................... ۵۲
٣-٢ تشریح مشخصات تجهیزات آزمایشگاهی وکاربرد آنها و نحوه اندازه گیری ها. ۵۲
٣-٢-١ فلوم ............................................................................................................................................................................................... ۵۲
٣-٢-٢ کالورتهای خروجی ........................................................................................................................................................ ۵۳
٣-٢-٣ اندازه گیری دبی برای مقاطع مختلف ................................................................................................... ۵۳
٣-٢-٣-١ مقدمه ..................................................................................................................................................................................... ۵۳
٣-٢-٣-٢ روش اندازه گیری دبی در مقاطع مورد بررسی .................................................................. ۵۴
٣-٢-٤ دستگاه ژرفاسنج نقطه ای ...................................................................................................................................... ۵۵
٣-٢-٥ تنظیم ارتفاع سطح آب ........................................................................................................................................... ۵۵
٣-٢-٦ تعیین مدت زمان آزمایش .................................................................................................................................. ۵۶
٣-٢-٧ مخزن انجام آزمایشات .............................................................................................................................................. ۵۶
۳-٢-٨ مصالح مورد استفاده در آزمایش ..................................................................................................................... ۵۹
٣-٣ شرایط هیدرولیکی جریان .............................................................................................................................................. ۶۰
٣-٤ انجام آزمایشات ............................................................................................................................................................................. ۶۰
٣-٤-١ مقدمه ............................................................................................................................................................................................. ۶۰
٣-٤-٢ تشریح آزمایشات .............................................................................................................................................................. ۶۱
٣-٥ پارامترهای اندازه گیری شده آزمایشگاه ...................................................................................................... ۶۲
[unknown error.خطای ناشناخته]
فصل چهارم : تجزیه وتحلیل نتایج آزمایشات ۷۰
١-٤ مقدمه .................................................................................................................................................................................................... ۷۱
٤-٢ بررسی تغییرات ابعاد حفره آبشستگی در زمان ...................................................................................... ۷۲
٤-٢-١ بررسی تغییرات عمق حفره (hs.Rc) تحت اثر تغییرات ارتفاع ریزش
و ارتفاع پایاب .................................................................................................................................................................................................. ۷۲
٤-٢-٢ بررسی جزئی تر تغییرات عمق با استفاده از جدول (٤-٢) و (٤-٣) ..................... ۷۴
٤-٢-٣ بررسی میزان تغییرات عمق حفره آبشستگی در زمان های مورد بررسی .......... ۷۵
٤-٣ بررسی تغییرات عرض حفره آبشستگی ............................................................................................................... ۷۷
٤-٣-١ بررسی تغییرات عرض حفره (ws.Rc) تحت اثر تغییرات ارتفاع ریزش
و ارتفاع پایاب ................................................................................................................................................................................................ ۷۷
٤-٣-٢ بررسی جزئی تر تغییرات عرض حفره با استفاده از دو جدول (٤-٦)و (٤-٧) ۷۹
٤-٣-٣ بررسی میزان تغییرات عرض حفره آبشستگی در زمانهای مورد بررسی .............. ۸۰
٤-٤ بررسی تغییرات طول حفره آبشستگی .............................................................................................................. ۸۲
٤-٤-١ بررسی تغییرات طول حفره (Ls.Rc) تحت اثر تغییرات ارتفاع ریزش
و ارتفاع پایاب ............................................................................................................................................................................................... ۸۲
٤-٤-٢ بررسی جزئی تر تغییرات طول حفره (Ls.Rc) با استفاده از دو جدول
(٤-١٠) و (٤-١١)..................................................................................................................................................................................... ۸۴
٤-٤-٣ بررسی میزان تغییرات طول حفره آبشستگی در زمانهای مورد بررسی ............... ۸۴
٤-٥- بررسی تغییرات ارتفاع برآمدگی بعد از حفره ........................................................................................... ۸۷
٤-٥-١بررسی تغییرات ارتفاع برآمدگی (Hm.Rc) تحت اثر تغییرات ارتفاع
ریزش و ارتفاع پایاب ............................................................................................................................................................................ ۸۷
٤-٥-٢ بررسی جزئی تر تغییرات ارتفاع برآمدگی (Hm.Rc) با استفاده از دو جدول
(٤-١٤) و (٤-١٥)...................................................................................................................................................................................... ۸۸
٤-٥-٣- بررسی میزان تغییرات ارتفاع برآمدگی حفره در زمانهای مورد بررسی ........... ۸۹
٤-٦- بررسی تغییرات طول کل حفره ............................................................................................................................... ۹۲
٤-٦-١ بررسی تغییرات طول کل حفره (Lst.Rc) تحت اثرتغییرات ارتفاع ریزش
و ارتفاع پایاب ............................................................................................................................................................................................... ۹۲
٤-٦-٢- بررسی جزئی تر تغییرات طول حفره (Lst) با استفاده از دوجدول
(٤-١٨) و (٤-١٩).................................................................................................................................................................................. ۹۲
٤-٦-٣- بررسی میزان تغییرات طول کل حفره در زمانهای مورد بررسی ............................ ۹۴
٤-۷ تاثیرات تغییر ارتفاع ریزش و ارتفاع پایاب بر ابعاد حفره آبشستگی ................................ ۹۶
٤-۸ بررسی معادله کوتولاس .................................................................................................................................................... ۹۸
٤-۹ بررسی معادله DOT ................................................................................................................................................................ ۹۹
٤-۹-١ نحوه جایگذاری مقادیر برداشت شده ......................................................................................................... ۹۹
٤-۹-٢ بررسی تغییرات عمق حفره آبشستگی با توجه به نمودارهای (٤-۷),(٤-۸)
و (٤-۹) و جدول (٤-٢٨) ............................................................................................................................................................... ۱۱۲
٤-۹-٣ بررسی تغییرات عرض حفره آبشستگی با توجه به نمودارهای (٤.-۱۰) ,
(٤-۱۱) و (٤-۱۲) و جدول (٤-٢٨)................................................................................................................................... ۱۱۲
٤-۹-٤ بررسی تغییرات طول حفره آبشستگی با توجه به نمودارهای (٤-۱۳) و
(٤-۱۴) و (٤-۱۵) وجدول (٤-٢٨)....................................................................................................................................... ۱۱۲
٤-۹-٥ نتیجه گیری کلی از نمودارهای (٤-١) الی (٤-٩) و جدول (٤-٢٨)....................... ۱۱۲
٤-۹-٦ ضرایب پیشنهادی برای معادله DOT ..................................................................................................... ۱۱۳
٤-۹-۷ حداکثر ارتفاع برآمدگی و حداکثر طول کل ........................................................................................ ۱۱۳
فصل پنجم : نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات ۱۱۸
مقدمه ......................................................................................................................................................................................................................... ۱۱۹
٥-١ نتایج ............................................................................................................................................................................................................... ۱۱۹
٥-٢ پیشنهادات ............................................................................................................................................................................................. ۱۲۴
پیوست .................................................................................................................................................................................................................... ۱۲۶
منابع ............................................................................................................................................................................................................................. ۱۲۹
چکیده انگلیسی ............................................................................................................................................................................................. ۱۳۵
منبع:
- بیات ، م .، ۱۳۸۱ ،اندرکنش سازه های آبی و فرسایش , دانشگاه صنعتی امیرکبیر
۲- شفاعی بجستان ، م .، ۱۳۷۸، مبانی و کاربرد مدلهای فیزیکی – هیدرولیکی ، اهواز، دانشگاه شهید چمران