شکل ۴- ۲۳ شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در بستر متحرک ۶۳
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
) برای بستر رسوب ۶۴
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل ۴- ۲۵ نمودار تغییرات نسبت دبی­های نرم­افزار و مشاهداتی ۶۵
شکل ۴-۲۶ توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان در اطراف سازه ترکیبی ۶۶
شکل ۴-۲۷ الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه (الف. بردارهای سرعت ب. خطوط جریان) ۶۶
شکل ۴-۲۸ توزیع تنش برشی در اطراف حفره آبشستگی پایین­دست سازه ترکیبی سرریز- دریچه در ابتدای اجرای برنامه ۶۷
) برای بستر رسوب و بستر صلب ۶۷
شکل ۴-۳۰ نمودار رابطه حداکثر عمق آبشستگی با نسبت دبی­های عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی ۶۸
فصل اول
مقدمه
۱-۱- مقدمه
یکی از عمده‌ترین مشکلات سازه‌هایی از قبیل سرریزها، دریچه‌ها و حوضچه‌های آرامش که در بالادست بسترهای فرسایش‌پذیر قرار دارند، آبشستگی در مجاورت سازه است که علاوه­‌بر تأثیر مستقیم بر پایداری سازه، ممکن است باعث تغییر مشخصات جریان و در نتیجه تغییر در پارامترهای طراحی سازه شود. به دلیل پیچیدگی موضوع، اکثر محققین آن را به صورت آزمایشگاهی بررسی کرده ­اند که با وجود تمام دست­آوردهای مهمی که تاکنون در زمینه آبشستگی موضعی حاصل گردیده است، هنوز هم شواهد زیادی از آبشستگی گسترده در پایاب دریچه‌ها، سرریزها، شیب‌شکن‌ها، کالورت‌ها و مجاورت پایه‌های پل دیده می‌شود که می‌تواند پایداری این سازه­ها را با خطرات جدی مواجه کند.
پدیده آبشستگی زمانی اتفاق می‌افتد که تنش برشی جریان آب عبوری از آبراهه، از میزان بحرانی شروع حرکت ذرات بستر بیشتر شود. تحقیقات نشان داده است که عوامل بسیار زیادی بر آبشستگی در پایین‌دست سازه تأثیرگذار هستند که از جمله آن­ها می‌توان به اندازه و دانه‌بندی رسوبات، عمق پایاب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و … اشاره کرد (کوتی و ین^[۱] (۱۹۷۶)، بالاچاندار^[۲] و همکاران (۲۰۰۰)، کلز^[۳] و همکاران (۲۰۰۱)، لیم و یو^[۴] (۲۰۰۲)، فروک^[۵] و همکاران (۲۰۰۶)، دی و سارکار^[۶] (۲۰۰۶) و ساراتی^[۷] و همکاران (۲۰۰۸)).
دریچه­ها و سرریزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظیم جریان و تثبیت کف، در کانال­های باز مورد استفاده قرار می­گیرند. بر اثر جریان ناشی از جت عبوری از رو یا زیر سازه­ها، امکان ایجاد حفره آبشستگی در پایین­دست سازه­ها وجود دارد که ممکن است پایداری 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.
۱-۲ تعاریف
۱-۲-۱ سرریزها
یکی از سازه­های مهم هر سد را سرریزها تشکیل می­ دهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازه ­گیری دبی جریان در کانال­ها­ مورد­استفاده قرار می­گیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام می­ دهند، باید سازه­ای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهره ­برداری آمادگی داشته باشد.
معمولاً سرریزها را بر حسب مهم­ترین مشخصه آن­ها تقسیم ­بندی می­ کنند. این مشخصه می ­تواند در رابطه با سازه کنترل و کانال تخلیه باشد. بر حسب این­که سرریز مجهز به دریچه و یا فاقد آن باشد به ترتیب با نام سرریزهای کنترل­دار و یا سرریزهای بدون کنترل شناخته می­شوند.
۱-۲-۲ دریچه­ها
دریچه­ها سازه ­هایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته می­شوند. از دریچه­ها به منظور قطع و وصل و یا کنترل جریان در مجاری عبور آب استفاده می­ شود و از لحاظ ساختمان به گونه ­ای می­باشند که در حالت بازشدگی کامل عضو مسدود کننده کاملاً از مسیر جریان خارج می­گردد.
دریچه­ها در سدهای انحرافی و شبکه ­های آبیاری و زهکشی کاربرد فراوان دارند. همچنین برای تخلیه آب مازاد کانال­ها، مخازن و پشت سدها به کار می­روند (نواک^[۸] و همکاران، ۲۰۰۴).
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 می­ دهند: دریچه­های اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهره ­برداری قرار می­گیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده می­ شود.
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 بهره ­برداری: دریچه­های تنظیم کننده دبی و دریچه­های کنترل­ کننده 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 می­ کند. دریچه هیدرولیکی بر اساس قانون پاسکال عمل می­نماید. دریچه برقی از دستگاه­های برقی، دریچه مکانیکی با بهره گرفتن 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 پایه­ های 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.
۱-۲-۳ سازه ترکیبی سریز – دریچه
ترکیب سرریز - دریچه یکی از انواع سازه­های هیدرولیکی می­باشد که در سال­های اخیر عمدتاً برای عبور سیال در مواردی که سیال حاوی سرباره و رسوب به صورت همزمان می­باشد (مانند کانال عبور فاضلاب) بکار رفته است. سازه ترکیبی سرریز - دریچه با تقسیم دبی عبوری از بالا و پایین خود از انباشت سرباره و رسوب در پشت سازه جلوگیری می­ کند. از دیگر کاربردهای عملی این ترکیب، می­توان انواع سدهای تأخیری را نام برد. در سدهای تأخیری برای جلوگیری از انباشت رسوب در پشت سد که منجر به کاهش حجم مفید مخزن می­گردد اقدام به تعبیه تخلیه­کننده­ های تحتانی می­گردد. از طرف دیگر این نوع سدها به علت برآورد اهداف طراحی و عبور سیلاب­های محتمل به صورت روگذر نیز عمل می­ کنند که از این دو جهت، مدل ترکیبی سرریز - دریچه ایده مناسبی برای تحلیل این نوع سدها می­باشد. اگرچه این نوع سازه دارای کاربرد فراوانی در سازه­های هیدرولیکی می­باشد.
جهت به حداقل رساندن مشکلات در سرریزها و دریچه‌ها و همچنین جهت بالا بردن مزایای آن­ها می‌توان از سازه ترکیبی سرریز - دریچه استفاده کرد به طوری که در یک زمان، جریان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. این وسیله ترکیبی می‌تواند مشکلات ناشی از فرسایش و رسوب­گذاری را مرتفع نماید (دهقانی و همکاران، ۲۰۱۰).
همچنین با این روش، رسوبات و مواد زائد در پشت سرریزها انباشته نمی‌‌‌شوند (ماخرک، ۱۹۸۵).
مشکلاتی را که در اثر وجود مواد رسوبی یا شناور در آب انتقالی برای آبیاری حاصل می‌شود، می‌توان با بهره گرفتن از سازه ترکیبی سرریز - دریچه به مقدار زیادی کاهش داده که امکان اندازه‌گیری دقیق‌تر و ساده‌تر را به همراه دارد ( اسماعیلی و همکاران، ۱۳۸۵).
سیستم سرریز - دریچه امکان عبور جریان را از پایین و بالای یک مانع افقی در قسمت میانی مجرا به طور همزمان فراهم نموده، بدین صورت که مواد قابل رسوب را در پشت دریچه به صورت زیرگذر و مواد شناور را به صورت روگذر سرریز عبور می­دهد (شکل ۱- ۱).
جریان عبوری از زیر دریچه
جریان عبوری از روی سرریز
شکل ۱- ۱ شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه
از این­رو تعیین شکل و حداکثر عمق آبشستگی در پایین­دست سرریز و دریچه ترکیبی به منظور تثبیت وضعیت بستر می ­تواند مفید واقع شود.
۱-۲-۴ آبشستگی
آبشستگی 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 می­ شود. 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 تقسیم ­بندی می­ کنند:
نوع اول آبشستگی تنگ­شدگی^[۹] 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.