پیش‌بینی ابعاد حفره آبشستگی پایین‌دست سرریز سیفونی تحت شرایط مستغرق

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 5، دوره 13، شماره 45، مرداد 1399، صفحه 57-70   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

مهدی فولادی پناه^{* 1}؛ رضا جعفری نیا²

¹استادیار، گروه عمران، واحد رامهرمز، دانشگاه آزاد اسلامی، رامهرمز، ایران

²استادیار، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، گروه مهندسی آب، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی، اراک، ایران

تاریخ دریافت: 05 اسفند 1397،  تاریخ بازنگری: 21 خرداد 1398،  تاریخ پذیرش: 21 تیر 1399 

چکیده

در این تحقیق، ضمن بررسی آزمایشگاهی حفره‌ی آبشستگی در پایین‌دست مدل فیزیکی سرریز سیفونی، معادلاتی برای پیش‌بینی توسعه آبشستگی تحت شرایط مستغرق ارائه شده است. یک مدل آزمایشگاهی سرریز سیفونی همراه با سه باکت با زوایای 30، 45 و 60 درجه برای سه نوع مواد رسوبی با اندازه‌ی متوسط 1/8، 7/3 و 4/1 میلیمتر برای مطالعه‌ی روند شکل‌گیری چاله‌ی آبشستگی مورد استفاده قرار گرفتند. به ازای چهار دبی 2/39، 12/42، 12/45 و 76/49 لیتر بر ثانیه و پنج عمق پایاب 15، 20، 25، 30 و 35 سانتیمتر مشخصات هندسی چاله‌ی آبشستگی در قالب یک شبکه‌بندی 10×10 سانتیمتری برداشت گردید. به کمک تحلیل ابعادی سه پارامتر بی‌بعد برای تحلیل نتایج آزمایشگاهی استخراج شدند. از بین مشخصات حفره‌ی آبشستگی پارامترهای عمق حفره (ds)، طول حفره (Ls) و فاصله تپه‌ی پایین‌دست تا لبه باکت پرتابی (L6) مدلسازی عددی شدند. نتایج نشان داد افزایش دبی جریان منجر به افزایش و توسعه همزمان خصوصیات هندسی حفره آبشستگی می‌شود. افزایش اندازه‌ی ذرات رابطه‌ی معکوسی با سه بعد حفره نشان داد. همچنین، کاهش زاویه‌ی پرتابی باکت منجر به کاهش ds، Ls و L6 شد. بیشترین ضریب همبستگی بین عمق، طول حفره و فاصله تپه‌ی پایین‌دست تا لبه‌ی باکت به ترتیب با پارامترهای اندازه ذرات، زاویه پرتاب باکت و دبی/پایاب به دست آمد. در نهایت معادلاتی برای پیش‌بینی ابعاد فوق‌الذکر برحسب سه پارامتر بی‌بعد ارائه گردید.

کلیدواژه‌ها

مدل فیزیکی؛ سرریز سیفونی؛ توسعه آبشستگی؛ تحلیل ابعادی

عنوان مقاله [English]

Prediction of Scour Hole Dimension Downstream of Siphon Spillway Under Submerged Condition

نویسندگان [English]

mehdi fuladipanah¹؛ reza jafarinia²

¹Department of civil engineering, ramhormoz branch, Islamic azad university, ramhormoz, iran

²Department of water engineering, arak branch, Islamic azad university, arak, iran

چکیده [English]

In this research work, besides analyzing the scour hole at the downstream of the siphon spillway physical model, some equations have been presented to predict scour hole developing. A physical model of siphon spillway along with three flip buckets of angle 30°, 45° and 60° for three types of sedimentary materials of mean size 1.8, 3.5 and 1.4 (mm) were used to study scour hole formation process. Geometric characteristics of the scour hole were collected for four flow discharges of 39.2, 42.12, 42.12, 49.76 (lit/s) and five tail-water depths of 15, 20, 25, 30 and 35 (cm) using a mesh grid size of 10 (cm) ×10 (cm). Three dimensionless parameters were extracted for analyzing experimental results using dimensional analysis. Of all scour hole dimensions, scour depth (ds), scour length (Ls) and distance of downstream hill up to bucket lip (L6) were adjusted for numerical modeling. Results showed that increasing flow rate causes growth and developing of scour hole geometric properties simultaneously. Increasing the particle size showed an inverse relationship with three dimensions of the scour hole. Also, the reduction of the bucket's angle led to a reduction in ds, Ls and L6. The maximum correlation coefficient obtained between ds, Ls and L6 with particle size, flip bucket angle and discharge/tailwater, respectively. Finally, predictors were presented to describe above-mentioned dimensions of scour hole dimensions.

کلیدواژه‌ها [English]

Physical model, Siphon spillway, Scour extending, dimensional analysis

مراجع

1)        اسمعیلی­ورکی م، کنعانی ا، نوابیان م، اشرف س­ح، 1394. پیش­بینی حداکثر عمق آبشستگی اطراف گروه پایه کج با استفاده از سیستم استنتاج فازی-عصبی تطبیقی بهینه شده با الگوریتم ژنتیک. نشریه پژوهش­های حفاظت آب وخاک، 22(8): 283-294.

2)        رضا­زاده ع، ستاری م­ت، 1394. تخمین عمق چاله‌ آبشستگی پایه‌ پل در سازه‌های آبی با روش رگرسیون فرایند گاوسی. مجله تحقیقات مهندسی سازه­های آبی و زهکشی، (65)16: 36-19.

3)         رجایی ا، اسمعیلی­ورکی م، شفیعی­ثابت ب، 1396. مطالعه آزمایشگاهی آبشستگی موضعی در پایین­دست سازه­های کنترل تراز بستر با پلان کنگره­ای. تحقیقات مهندسی سازه­های آبیاری و زهکشی. 68(18): 129-142.

4)        رحیمی س، کاشفی­پور س­م، شفاعی­بجستان م، فتحی ا، 1396. بررسی آزمایشگاهی ابعاد هندسی چاله­ آبشستگی در آبشکن­های مختلف در قوس 90 درجه در شرایط غیرمستغرق. نشریه آب و خاک. 31(1): 101-111.

5)        نجفی ج، قدسیان م، 1383. بررسی آزمایشگاهی ابعاد حفره آبشستگی پایین­دست کالورت لوله­ای. نشریه دانشکده فنی، 38(2): 329-338.

6)        نقی­خانی ا، نوری ر، شیخیان ح، قیاسی ب، 1393. تخمین ابعاد چاله آبشستگی پایین­دست جام پرتابی سدها با استفاده از مدل محاسبات دانه­ای. مجله هیدرولیک. 9(3): 45-60.

7)         هوشیاری­پور ف، نوری ر، 1392. استفاده از تکنیک ماشین­بردار پشتیبان در پیش­بینی ابعاد چاله آبشستگی پایین­دست یک پرتابه جامی شکل. مهندسی آب و محیط­زیست ایران. 1(1): 35-45.

8)       Azmathullah HMD, Deo MC, Deolalikar PB, 2005. Neural networks for estimation of scour downstream of ski-jump bucket. J. of Hydraul. Eng., ASCE, 131(10): 898-908.

9)       Bollaert EFR, Schleiss AJ, 2003. Scour of rock due to the impact of plunging high-velocity jets”, Part II: experimental results of dynamic pressures at pool bottoms and in one and two dimensional closed end rock joints”, J. Hydraul. Res. 40(5): 15-30.

10)    Bormann NE,  Julien PY, 1991. Scour downstream of grade-control structures. J. Hydraul. Eng.,ASCE, 117(5): 579–594.

11)    Bormann NE, 1988. Equilibrium local scour depth downstream of grade-control structures.” Ph.D. dissertation, Dept. of Civil Engineering, Colorado State Univ., Fort Collins, CO.

12)    Chakravarti A.,  Jain RK, Kothyari UC, 2013. Scour under Submerged Circular Vertical Jets in Cohesion-less Sediments. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 17(2): 175-192.

13)    D’Agostino V, Ferro V, 2004. Scour on alluvial bed downstream of grade-control structures. J. Hydraul. Eng., 130(1): 24–37.

14)    Dey S, Raikar RV, 2007. Scour below a high vertical drop. J. Hydraul. Eng., ASCE, 133(5): 564-568.

15)    Khatsuria RM, 2005. Hydraulics of Spillways and Energy Dissipaters. Marcel Dekker Press., New York: 129-147.

16)    Mason PJ, Arumugam K, 1985. Free jet scour below dams and flipbuckets. J. Hydraul. Eng., ASCE, 111(2): 220–235.

17)    Mossa M, 1998. Experimental study on the scour downstream of grade-control structures. Proc., 26^th  Convengno di Idraulica e Construzioni Idrauliche, Catanai, Italy, September, 3: 581–594.

18)    Pagliara S, Roy D, Palermo M, 2009. 3D plunge pool scour with protection measures. J. of Hyd.- Env. Res., 4: 225-233.

19)    Schoklitsch A, 1932. Kolkbildung unter uberfallstrahlen. Wasserwirtschaft, 343.

20)    Scurlock SM, Thornton CI, Abt SR, 2012. Equilibrium Scour Downstream of Three-Dimensional Grade-Control Structures. J. Hydraul. Eng., ASCE, 138: 167-176.