«یادداشت تحقیقاتی» 1- مقدمه خداداد صفوي امیر رضا زراتی عبدالرضا کرمینژاد

Transcription

1 مجله علمی- پژوهشی دوره 11 شماره 4 زمستان 1395 «یادداشت تحقیقاتی» افزایش آبگذري سرریزهاي آزاد با قوسدار کردن و ازدیاد طول تاج مو ثر 3 *2 1 خداداد صفوي امیر رضا زراتی عبدالرضا کرمینژاد 1- کارشناس ارشد مهندسی آب مو سسه تحقیقات آب تهران 2- استاد گروه مهندسی آب دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلیتکنیک تهران) تهران 3- کارشناس مهندسی آب موسسه تحقیقات آب تهران * zarrati@aut.ac.ir چکیده- طول مو ثر سرریزها یکی از پارامترهاي مو ثر آبگذري آنها بوده و هر چه بیشتر باشد هد آب روي سرریز و به دنبال آن ارتفاع سد کاهش مییابد. از طرفی افزایش مستقیم طول سرریز موجب ازدیاد حجم حفاريها و همچنین پهناي تندآب شده و هزینههاي طرح را افزایش میدهد. افزایش طول سرریز یک فضاي محدود راهکاري براي کاهش هزینهها میباشد که سرریزهاي تاج قوسی نمونهاي از این نوع میباشد. مقاله حاضر به کمک یک مدل آزمایشگاهی آبگذري یک سرریز (اوجی) تاجمستقیم و آبگذري یک سرریز با طرحی جدید و با تاجقوسی که هر دو تندآبی با پهنایی یکسان قرار داشتند اندازهگیري شده است. از مقایسه نتایج مشخص شد که محدوده ضرایب آبگذري سرریز قوسی طراحی شده مشابه سرریز مستقیم بوده و کاهش قابل ملاحظهاي ندارد. این صورتی است که طول سرریز قوسی و نتیجه آبگذري آن بیشتر میباشد. به این شکل طراحان میتوانند با قوسی کردن سرریزهاي مستقیم ظرفیت آبگذري آن را پهناي ثابتی از تندآب افزایش دهند. البته باید توجه داشت که تبدیل از مقطع قوسی به مقطع تندآب و شکل دیوارهاي هدایت باید به صورتی طراحی شود که موجهاي ضربهاي و اختلال جریان رخ ندهد. کلید واژگان: آبگذري سرریز طول مو ثر سرریز سرریز تاج قوسی مدل آزمایشگاهی. 1- مقدمه طراحی سرریز بر روي توپوگرافی کنار بدنه سدها حفاري و سنگبرداري محل ساخت سرریز و تنداب از جمله اقدامات معمول و هزینهبر میباشد. حجم حفاريها از یک طرف به جانمایی سرریز بستگی داشته و از طرف دیگر به طراحی ابعاد هندسی آن وابسته است. طراحی هندسه سرریز نیز به پارامترهاي هیولیکی چون دبی جریان و هد آب روي آن بستگی دارد. دبی خروجی از میکند: پیروي (1) کلی رابطه از سرریزها (USBR, :1987) Q= CLH 1.5 (1) که آن Q دبی خروجی از سرریز C ضریب آبگذري سرریز L طول مو ثر سرریز و H هد واقعی آب روي سرریز (شامل هد سرعت نزدیک شونده) میباشد. بر اساس رابطه (1) دبی جریان رابطه مستقیمی با طول مو ثر سرریز دارد. بنابراین هر چه طول مو ثر سرریز بیشتر باشد یک دبی مشخص به ازاي هد کمتري از روي سرریز 57

2 افزایش آبگذري سرریزهاي آزاد با قوسدار کردن و... خداداد صفوي و همکاران عبور نموده و این به معنی کاهش ارتفاع بدنه سد میباشد. افزایش طول آستانه سرریزهاي مستقیم (اوجی) اگرچه سبب کاهش هد آب روي سرریز به ازاي دبیهاي مشخص میشود ولی این کار موجب افزایش حجم حفاريها نیز میشود. از طرفی افزایش طول سرریز به معنی افزایش پهناي تندآب نیز میباشد. بنابراین صورتی که بتوان با اراي ه طرحهایی براي شکل آستانه سرریز سیلابهاي بزرگ را با ایجاد هد کمتري بر روي سرریز عبور داد میتوان بدون تحمیل هزینههاي اضافی براي حفاري ارتفاع بدنه سد را کاهش داد. سرریزهاي کنگرهاي (شکل 1) که معمولا به صورت سیکلهایی از اشکال مثلثی یا ذوزنقهاي طراحی میشوند از جمله راهکارهاي افزایش طول مو ثر سرریز بوده که با افزایش دبی ویژه سرریز یک هد مشخص سبب افزایش آبگذري سرریز میشود (1971.(Darvas, تاکنون عملکرد هیولیکی هندسههاي مختلف کنگرهها تعداد سیکلها یک پهناي مشخص و پارامترهاي مو ثر بر کارایی آنها شرایط هیولیکی مختلف تا حد زیادي مورد ارزیابی قرار گرفته است (2011.(Schleiss, سرریزهاي کنگرهاي هنگامیکه نسبت هد آب روي سرریز به ارتفاع سرریز (H/P) محدوده 0/1 تا 0/2 است کارایی سرریز بالا بوده و سرریز کنگرهاي مشابه یک سرریز تاج مستقیم عمل میکند. اما با افزایش دبی جریان و ازدیاد تیجی هد آب به دلیل تداخل جریانهاي ریزشی از روي کنگرهها طول مو ثر سرریز کاهش یافته و بنابراین آبگذري سرریز به تیج کاهش مییابد (1985.(Lux, اسماعیلی ورکی (1392) با استفاده از یک مدل آزمایشگاهی ضریب دبی جریان سرریزهاي کنگرهاي با پلان نیم دایرهاي را مورد بررسی قرار داد. مشخص شد که تمام هندسهه يا موضعی که محدوده بر مورد بررسی تا پیش از آغاز استغراق H/P>0.35 رخ میدهد ضریب دبی جریان سرریزهاي کنگرهاي با پلان نیم دایره منطبق سرریز خطی میباشد. با افزایش هد نسبی به دلیل تداخل تیغههاي ریزشی ضریب دبی جریان کاهش یافته و به تیج با استغراق نسبی سرریز ضریب دبی جریان به سمت ضریب دبی جریان سرریزهاي لبه پهن متمایل میگردد. البته طراحی سرریزهاي کنگرهاي و یا سرریزهاي چندوجهی و مانند آن امکانپذیر همواره و همه پروژهها نبوده و تابع شرایط توپوگرافی و ویژگیهاي هیولیکی طرح میباشد. همچنین کارایی این سرریزها براي کلیه هدهاي آب روي سرریز یکسان نیست. براي افزایش ظرفیت آبگذري میتوان تاج سرریز را به صورت قوسی طراحی نمود. سرریزهاي تاج قوسی صورتی که بتوان شعاع قوس را به اندازهاي نظر گرفت که دبیهاي زیاد تداخل خطوط جریان را کاهش دهد میتوان ضمن جانمایی سرریز یک پهناي محدود با افزایش دبی واحد عرض جریان براي هدهاي مشخص به طرحی اقتصاديتر دست یافت. جریانهاي فوق بحرانی هر گونه تبدیل و تغییر مسیر مانند تبدیل از یک سرریز قوسی به تندآب با مقطع مستطیلی منجر به تشکیل امواج عرضی بر روي تنداب میشود. این شرایط ممکن است نیاز باشد که ارتفاع دیوارهاي تنداب را براي پوشش جریان افزایش داد. شکل 1 سرریز تاج قوسی نمونهاي از هندسه سرریز کنگرهاي پلان سرریزهاي با طول تاج افزایش یافته یک پهناي مشخص 58

3 دوره 11 شماره 4 زمستان 1395 هیولیک البته پهناي ایجاد با سرریز تبدیلهاي امواج میتوان مناسب عرضی و را بسیار به تیجی حداقل رساند (2004 al.,.(novak et شعاع خم سرریز و شعاع تبدیل بین سرریز و تنداب پارامترهاي اصلی طراحی میباشند.(Khatsuria, 2005) براي توزیع یکنواخت جریان عرض تبدیل تندابها یک روش طراحی توسط (1952) WES پیشنهاد گردید. همچنین (1990) USACE معیارهایی براي طراحی طول تبدیل و هندسه دیوارهاي کناري تنداب بر اساس عدد فرود جریان اراي ه داد. با این وجود تاکنون یک معیار جامع براي طراحی چنین هندسههایی پیشنهاد نشده است و معیارها میگیرد. براي طراحیهاي اولیه تنها مورد استفاده قرار سرریزهاي تاج قوسی دیوارهاي هدایت جریان دو طرف سرریز و کانال تقرب میبایست به گونهاي طراحی شوند که ضمن همخوانی هندسه دیوارهاي هدایت با دیوارهاي کناري سرریز الگوي جریان تا حد امکان به صورت خطجریانی باشد تا چنین شرایطی آبگذري صورت میتوان بنابراین باشد. حداکثر سرریز مساعد بودن شرایط با طراحی یک سرریز تاج قوسی با دیوارهاي هدایت مناسب ضمن برآورده کردن نیازهاي فنی طرح هزینهها و زمان اجراي سرریز را کاهش داد. براي ارزیابی عملکرد و ضریب تخلیه سرریزهاي تاج قوسی پژوهش حاضر عملکرد هیولیکی و آبگذري یک سرریز تاج قوسی مورد آزمایش قرار گرفته و نتایج حاصل با یک سرریز تاج مستقیم مقایسه شده است. 2- کارهاي آزمایشگاهی -1-2 ویژگیهاي هیولیکی آزمایشها هندسی و سرریزها مشخصات به منظور بررسی عملکرد سرریز تاج قوسی دو سرریز یکی با تاج مستقیم به طول 52/5 سانتیمتر (شکل 2) و یک سرریز قوس 75 قوس طول به قوسی تاج پهناي همان سانتیمتر 69 سانتیمتر تنداب و ساخته شعاع شد (مهاب قدس 1393). طراحی ابعاد سرریز تاج قوسی بر اساس برخی معیارهاي گفته شده WES, 1952) (Khatsuria, 2005 ; براي به حداقل رساندن اثر امواج عرضی و تجربیات آزمایشگاهی موجود این زمینه انجام گرفته است. ارتفاع هر دو سرریز از کف کانال ورودي برابر 17/5 سانتیمتر بوده و هر دو سرریز انتهاي خود به یک تنداب با پهناي ثابت 52/5 سانتیمتر متصل میشوند. تنداب پهناي با سرریز طول مستقیم تاج سرریز یکسان بوده و بنابراین بدون استفاده از هر گونه تبدیلی سرریز به تنداب متصل میشود ولی سرریز تاج قوسی به سرریز اتصال صورت گرفته است. تیجی تبدیل یک کمک به تنداب الف- سرریز تاج مستقیم ب- سرریز تاج قوسی شکل 2 نمایی از پلان سرریزهاي استفاده شده پژوهش حاضر 59

4 افزایش آبگذري سرریزهاي آزاد با قوسدار کردن و... خداداد صفوي و همکاران طول تبدیل حدود 67 سانتیمتر بوده و شکل آن به صورت خمی از دایره به شعاع 175 سانتیمتر میباشد. طراحی تبدیل نیز با کمک معیارهاي طراحی (USACE, (1990 و تجربیات موجود آزمایشگاه تدقیق گردید. سرریزها از جنس پرسپکس آزمایشگاه ساخته و پس از نصب آزمایشهایی بر روي آنها انجام شد. این آزمایشها ضمن بررسی کیفی عملکرد هیولیکی سرریزها دبی-اشل آنها نیز اندازهگیري شد. پارامترهاي هیولیکی اندازهگیري شده شامل دبی جریان و هد آب روي سرریز بوده و محدوده تغییرات آنها جدول 1 آورده شده است شکل هندسی دیوارهاي هدایت هر دو سرریز شامل شعاع و طول قوس آنها آزمایشگاه بهینه گردید که ادامه روند بهینهسازي دیوار هدایت سرریز تاج قوسی آورده شده است. سرریز تاج قوسی به منظور رسیدن به الگوي مطابق خطوط جریان ورودي سرریز و تبدیل پس از اوجی هندسه دیوارهاي هدایت میبایست به گونهاي باشد که سبب هدایت آرام و یکنواخت جریان به سمت آستانه سرریز شود. اتصال دیوار هدایت به تبدیل کناري سرریز میبایست بسیار تیجی صاف و بدون شکستگی قابل توجه باشد. هر گونه تغییر ناگهانی هندسه دیوار هدایت و یا محل اتصال به تبدیل جداشدگی جریان و ایجاد آشفتگیهاي موضعی را پی دارد که این آشفتگیها با انتقال روي سرریز سبب ایجاد عدم یکنواختی جریان عرض سرریز شده و با افزایش افت آبگذري سرریز را کاهش میدهد. پژوهش حاضر به منظور طراحی دیوار هدایت با هندسه متناسب با شکل سرریز و تبدیل آن سه گزینه دیوار هدایت با هندسههاي مختلف آزمایش شد (شکل 3). شعاع خم گزینههاي 1 تا 3 به ترتیب و 40 سانتیمتر و طول خم آنها نیز به ترتیب حدود و 50 سانتیمتر انتخاب گردید. انجام آزمایشها با استفاده از مواد رنگی و خاكاره الگوي جریان شکل گرفته کنار هر کدام از دیوارهاي هدایت به صورت کیفی بررسی شده و کارایی این دیوارها شکلدهی به جریان و ایجاد الگویی مناسب ورودي سرریز و روي اوجی ارزیابی گردید. این آزمایشها آبگذري سرریز براي هر گزینه اندازهگیري شد نهایت و نیز مشخص شد که آبگذري سرریز با وجود دیوار هدایت گزینه 3 مقایسه با دیگر گزینهها بالاتر بوده و همچنین الگوي جریان شکل گرفته کنار این دیوار مطابق خطوط جریان میباشد. از این رو گزینه 3 دیوار هدایت به عنوان گزینه برتر انتخاب و طرفین ورودي سرریز به صورت قرینه نصب گردید. آزمایشهاي انجام گرفته قوسی با سرریز تاج مستقیم به منظور مقایسه دیوار هدایت گزینه ورودي سرریز تاج قوسی به کار گرفته شد. سرریز تاج 3 جدول 1 پارامترهاي مورد اندازهگیري و محدوده تغییرات آنها پارامتر کمترین بیشترین H (cm) 3 40 Q (lit/s) شکل 3 دیوارهاي هدایت با هندسههاي مختلف ورودي سرریز با توجه به ابعاد هندسی سرریزها و محدوده پارامترهاي هیولیکی مقادیر اعداد رینولدز جریان روي سرریز بزرگتر از بوده که بر اساس نتایج پژوهشهاي 60

5 دوره 11 شماره 4 زمستان 1395 هیولیک گذشته (1984 Novak, (Kobus, 1980 ; براي دور بودن از بروز خطاهاي مقیاسی کافی میباشد. بنابراین همانطور که از محدوده پارامترهاي هیولیکی آزمایشهاي انجام گرفته مشخص است از مدل آزمایشگاهی بزرگی استفاده شده و به همین دلیل خطاهاي مقیاسی کوچک بوده و نتایج تا حد زیادي قابل تعمیم به نمونههاي واقعی میباشد. تا که به ازاي تغییرات هد آب روي سرریزها از هدهاي کم سانتیمتر 30 حدود سرریز آبگذري افزایش مقدار قوسی نسبت به سرریز مستقیم حدود %40 و هدهاي کم اندکی بیش از %40 میباشد آزمایشهاي انجام شده و ابزارهاي اندازهگیري کدام از هر نصب از پس سرریزهاي تاج مستقیم و تاج قوسی مدل به ازاي هدهاي مختلف بر روي سرریز دبی ترتیبی متناظر انجام با شد آن که هد بتوان اندازهگیري محدوده دبیهاي جریان را اندازهگیري نمود. شد. وسیعی آزمایشها هدها از به و براي اندازهگیري دبی جریان از یک سرریز مستطیلی از پیش کالیبره شده به پهناي 80 سانتیمتر و ارتفاع 40 سانتیمتر استفاده شد. هد آب روي سرریز مستطیلی و استفاده با مخزن آب سطح تراز همچنین لیمنیمتر به دقت 0/1 میلیمتر اندازهگیري شد. یک از الف- سرریز تاج قوسی شکل 4 3- تحلیل نتایج تصاویري از عملکرد هیولیکی هر کدام از سرریزهاي مورد آزمایش شکل 4 نشان داده شده است. همانطور که از این تصاویر نیز پیداست جریان ورودي به سرریز تاجقوسی بخصوص هدهاي پایین با پیروي از هندسه دیوارهاي هدایت با کمترین تداخل خطوط جریان از روي سرریز عبور مینماید. البته هدها و دبیهاي خیلی کم جریان ورودي به سرریز به سمت محور مرکزي سرریز و تنداب متمایل بوده و این مساله سبب برخورد خطوط جریان و تشکیل امواج عرضی با ارتفاع کم میگردد. با افزایش دبی جریان تمام مقطع سرریز عمل کرده و برخورد جریان و تشکیل امواج عرضی بهتیج کم شده و دبیهاي بالا حذف میشود. نتایج اندازهگیري آبگذري هر دو سرریز مورد آزمایش به صورت منحنیهاي Q-H ترسیم شد (شکل 5). از مقایسه منحنیهاي آبگذري سرریزهاي آزمایش شده مشخص شد ب- سرریز تاج مستقیم تصاویري از سرریزهاي مورد آزمایش و عملکرد هیولیکی آنها هدهاي بالاتر از 30 سانتیمتر آبگذري سرریز تاج قوسی اندکی کاهش مییابد. با توجه به اینکه نسبت طول سرریز قوسی به مستقیم حدود 1/4 می باشد بنابراین نتایج نشان میدهند که این شرایط افزایش %40 طول سرریز سبب افزایش آبگذري همین حدود هدهاي تا 30 سانتیمتر شده است. به منظور ارزیابی روند تغییرات ضرایب آبگذري سرریزهاي پارامتر به نسبت ضرایب این تغییرات شده آزمایش بدونبعد هد آب به ارتفاع سرریز (H/P) محاسبه و ترسیم شد (شکل 6). H/P پاي ینتر از 1 نتایج نشان دهنده بالاتر بودن ضریب آبگذري سرریز قوسی نسبت به سرریز مستقیم میباشد. 61

6 افزایش آبگذري سرریزهاي آزاد با قوسدار کردن و... خداداد صفوي و همکاران شکل 5 مقایسه منحنیهاي آبگذري سرریز تاج مستقیم و سرریز تاج قوسی پژوهش حاضر مقایسه تغییرات ضرایب آبگذري با نسبت H/P براي سرریزهاي مورد آزمایش شکل 6 علت بالاتر بودن ظرفیت آبگذري سرریز قوسی هدهاي پاي ین میتواند به شکل هندسی دیوارهاي هدایت و تبدیل ملایم دیوارهاي کناري سرریز قوسی مربوط باشد که این شرایط جریان با کمترین فشردگی و افت مقایسه با سرریز مستقیم مواجه می باشد و این یافته نشان دهنده اهمیت دیوارهاي هدایت ظرفیت آبگذري سرریز میباشد (شکلهاي 3 و 4). H/Pهاي بالاتر از حدود 1/7 (هدهاي بالاتر از 30 سانتیمتر) با تداخل خطوط جریان بر روي سرریز تاج قوسی افت جریان افزایش مییابد. با این وجود با مقایسه نتایج مشخص شد که چنین شرایطی نیز ضریب آبگذري سرریز تاج قوسی تنها حد %5 نسبت به سرریز تاج مستقیم کاهش مییابد. البته باید توجه داشت که نحوه طرح تبدیل از مقطع قوسی به مقطع تندآب بسیار مهم بوده و بر نتایج تاثیرگذار میباشد. 4- نتیجهگیري از مزیتهاي قوسی بودن تاج سرریز این است که میتوان عرضهاي کم سرریزي با طول بیشتر را جانمایی نمود. با انجام آزمایشهایی بر روي یک مدل آزمایشگاهی مشخص شد که با قوسدار کردن تاج سرریز و افزایش طول آن حدود %40 به همراه یک تبدیل ملایم ضریب آبگذري هدهاي بالا کاهش قابل ملاحظهاي نمییابد. آزمایشها نشان داد که براي نسبت هد آب به ارتفاع سرریز بالاتر از 1/7 تا حدود 2 کاهش ضریب آبگذري حدود %5 میباشد. 62

7 دوره 11 شماره 4 زمستان منابع هیولیک افزایش آبگذري یک سرریز تاج قوسی نسبت به یک سرریز تاج مستقیم هدهاي یکسان موجب میشود که بتوان سیلابهاي طراحی را با هد کمتر از سرریز با تاجی قوسی عبور داد و به این ترتیب ارتفاع سدها را کاهش داد. امکان طراحی تندابهاي با پهناي کمتر و کاهش ارتفاع سدها موجب کاهش قابلتوجهی حفاريها و هزینه و زمان اجراي طرح میشود. البته باید توجه داشت که تبدیل از مقطع قوسی به مقطع تندآب و شکل دیوارهاي هدایت بر نتایج تاثیرگذار میباشد و باید به صورتی طراحی شود که موجهاي ضربهاي و اختلال جریان به وجود نیاید. با انجام مطالعات آزمایشگاهی بر روي هندسههاي متفاوت از سرریزهاي تاج قوسی و با استفاده از آنالیز ابعادي ممکن است بتوان نسبتهاي بدون بعدي مانند نسبت طول و شعاع سرریز و تبدیل به پهناي تنداب را استخراج نمود که به عنوان زمینههاي پژوهشی امتداد پژوهش حاضر پیشنهاد میشود. 5- فهرست علایم C ضریب آبگذري ) -1 s (m 0.5 H هد واقعی آب روي سرریز (m) L طول مو ثر سرریز (m) Q دبی جریان ) -1 s (m 3 6- سپاسگزاري کلیه آزمایشها آزمایشگاه هیولیک گروه سازههاي هیولیکی موسسه تحقیقات آب وابسته به وزارت نیرو بر روي یک مدل فیزیکی انجام شد. اینجا از تلاش کلیه همکاران این گروه سپاسگزاري میشود. مهاب قدس.(1393) "گزارش طراحی هیولیکی سیستم تخلیه سیلاب سد سردشت (مطالعات مدل هیولیکی)" اسماعیلی ورکی م. و صفررضوي زاده م. (1392). "بررسی مشخصات هیولیکی جریان بر روي سرریزهاي کنگرهاي با پلان نیمدایرهاي" نشریه آب و خاك (علوم و صنایع کشاورزي) جلد 27 شماره 1 ص.232. Darvas, L. A. (1971). "Performance and design of labyrinth weirs", ASCE, J. Hyd. Eng. 97(8): Khatsuria, R.M. (2005). "Hydraulic design of spillways and energy dissipators", CRC PRESS, New York Kobus, H. (ed.) (1980). "Hydraulic modelling", Bulletin 7, German Association for Water Resources and Land Development. Lux, F. (1985). "Design and construction of labyrinth spillways", 15 th International Commission on Large Dams, Vol. 4, Q. 59, R. 15: pp Novak, P. (1984) "Scaling factors and scale effects in modelling hydraulic structures", General lecture, in Proceedings of the Symposium on Scale Effects in Modelling Hydraulic Structures, Technische Akademie, Esslingen, Paper 03: 1 6. Novak, P., Moffat, A.L.B., Nalluri, C. and Narayanan, R. (2006). Hydraulic structures. Fourth Edition. Schleiss, A. J. (2011). "Labyrinth and piano key weirs" Chapter 1, CRC Press, pp USACE, (1990). "Engineering and design; hydraulic design of spillway", Engineer Manual, EM USBR, (1987). Design of small dams. Water Resources Technical Publication, Third Edition, pp. 365 WES, (1952).,"Spillway for Genegantslet dam", New York, Tech. Memo