تأثیر زاویه پلان دیواره جانبی سرریزهای کلید پیانویی ذوزنقه‌ای در رفتار آبشستگی پایین‌دست

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 8، دوره 15، شماره 53، مرداد 1401، صفحه 97-114   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/wej.2021.26505.2277

نویسندگان

علیرضا مسلمان یزدی¹؛ سید عباس حسینی^{* 2}؛ سهراب نظری³؛ نصرت ا... امانیان⁴

¹استادیار دانشکده مهندسی عمران، واحد مهریز، دانشگاه آزاد اسلامی، یزد، ایران .

²استادیار دانشکده مهندسی عمران، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران .

³استادیار دانشکده مهندسی عمران، واحد اقلید، دانشگاه آزاد اسلامی، اقلید، ایران.

⁴دانشیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه یزد، یزد، ایران.

تاریخ دریافت: 18 آبان 1399،  تاریخ بازنگری: 24 آذر 1399،  تاریخ پذیرش: 10 شهریور 1400 

چکیده

چکیده
مقدمه: مشکل اساسی که در پایین ­دست سازه­ های هیدرولیکی از جمله سرریزها وجود دارد، آبشستگی و حرکت مصالح بستر می باشد، یکی از انواع سرریزها، سرریزهای کلید پیانویی می­باشد. با توجه به آنکه شکل هندسی سرریز بر وضعیت آبشستگی پایین­ دست تأثیرگذار است به همین منظور در این تحقیق، آبشستگی پایین­ دست سرریزهای کلید پیانو با شکل هندسی ذوزنقه­­ ای مورد توجه بوده، مشخصات آبشستگی و نرخ تغییرات آن با تغییر زاویه دیواره جانبی سرریز مورد مقایسه قرار گرفت.
روش: بدین منظور چهار مدل آزمایشگاهی از این نوع سرریزها ساخته و در یک فلوم آزمایشگاهی در شرایط دبی­ های مختلف مورد آزمایش قرار گرفت. همچنین جهت بررسی تأثیر عمق پایاب بر پروفیل آبشستگی، یکی از مدل­ها در سه عمق پایاب متفاوت بررسی شد.
یافته­ ها: نتایج اندازه ­گیری مشخصه­ های آبشستگی نشان داد در سرریزهای کلید پیانو ذوزنقه ­ای، حداکثر عمق چاله زیر کلید خروجی ایجاد می ­شود و با افزایش دبی و کاهش عمق پایاب، ابعاد هندسی حفره آبشستگی در مدل­های ذوزنقه­ ای افزایش می‌یابد. همچنین در سرریزهای کلید پیانویی ذوزنقه­ ای، با افزایش زاویه دیواره جانبی سرریز، ابعاد هندسی چاله آبشستگی کاهش می­ یابد. به نحوی که در تمام دبی ­ها با افزایش هر 3 درجه زاویه دیواره جانبی سرریز کلید پیانویی، حداکثر عمق چاله آبشستگی به طور میانگین، 5 درصد، فاصله موقعیت مکانی حداکثر عمق چاله آبشستگی و طول دهانه چاله آبشستگی به ترتیب و به طور میانگین 8 و 3 درصد کاهش می­ یابد. همچنین وقتی 65%  گردد این اختلاف ناچیز می­ شود و تفاوت معنا­داری در شکل حفره آبشستگی بین مدل­ های سرریز کلید پیانویی وجود ندارد.

کلیدواژه‌ها

آبشستگی؛ مدل ذوزنقه‌ای؛ دبی؛ سرریز کلید پیانویی؛ عمق پایاب

عنوان مقاله [English]

The Effect of Side Wall Angle on Downstream Scour of Trapezoidal Key Piano Weir

نویسندگان [English]

Alireza Mosalman Yazdi¹؛ Seyed Abbas Hosseini²؛ Sohrab Nazari³؛ Nosratollah Amanian⁴

¹Department of Civil Engineering, Mehriz Branch, Islamic Azad University, Yazd, Iran.

²Department of Civil Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

³Department of Civil Engineering, Eghlid Branch, Islamic Azad University, Eghlid, Iran.

⁴Department of Civil Engineering, Engineering Faculty, Yazd University, Yazd, Iran.

چکیده [English]

Abstract
Introduction: The main problem downstream of hydraulic structures, such as weirs, is scouring and movement of bed materials.  The piano key weirs (PKW) is one the types of weirs. Due to the fact that the geometric shape of the weir affects the condition of the downstream scour, therefore in this study, the downstream scouring of the piano key weirs with a trapezoidal geometric shape is studied. In this paper, the scour profile and the rate of change were compared with the change in the lateral wall angle of the weir.
Methods: For this purpose, four experimental models of this type of weirs were made and these models were tested in a laboratory flume at different flow rates. Also, to investigate the effect of tail water depth on scour profiles, one of the models was investigated at three different tail water depths.
Finding: The results of scouring characteristics showed that in trapezoidal piano key weirs, the maximum depth of the hole is created under the output key and by increasing the discharge and decreasing the tail water depth, the geometric dimensions of the scour hole increase in trapezoidal models. Also, in trapezoidal piano key weirs, by increasing the side wall angle of the weir, the geometric dimensions of the scour hole are reduced. In all flows, by increasing every 3 degrees of the side wall angle of the piano key weir, maximum scour hole depth on average, 5%, Spatial position distance, maximum scour hole depth and scour hole span length, respectively, and it decreases by 8% and 3% on average. Also, when Fr_d>65% is, this difference becomes insignificant and there is not a significant difference in the shape of the scour hole for PKW models.
 
 
 
 
 
 
 
 

کلیدواژه‌ها [English]

scouring, trapezoidal model, discharge, piano key weir, tail water depth

مراجع

1. Khatsuria, R.M., Hydraulics of spillways and energy dissipators. 2004: CRC Press.
2. Vischer, D.L. and W.H. Hager, Dam hydraulics. JOHN WILEY & SONS, Chichester, West Sussex PO 19 1 UD(UK). 316, 1998: p. 316.
3. Khatsuria, R., Hydraulics of Spillways and Energy Dissipators. Georgia Institute of Technology. Ed. 2005, Marcel Dekker. Atlanta, USA.
4. Leite Ribeiro, M., et al. Hydraulic capacity improvement of existing spillways–design of a piano key weirs. in Proceedings (on CD) of the 23rd Congress of the Int. Commission on Large Dams CIGB-ICOLD. 2009.
5. Leite Ribeiro, M., et al. Piano Key Weirs as efficient spillway structure. in Proceedings (on CD) of the 24th Congress of CIGB–ICOLD. 2012.
6. Pfister, M., S. Jüstrich, and A. Schleiss. Toe-scour formation at Piano Key Weirs. in Labyrinth and Piano Key Weirs III: Proceedings of the 3rd International Workshop on Labyrinth and Piano Key Weirs (PKW 2017), February 22-24, 2017, Qui Nhon, Vietnam. 2017. CRC Press.
7. Falvey, H.T., Hydraulic design of labyrinth weirs. 2003: ASCE Press (American Society of Civil Engineers) Reston, VA.
8. Machiels, O., et al., Experimental observation of flow characteristics over a Piano Key Weir. Journal of hydraulic research, 2011. 49(3): p. 359-366.
9. Ribeiro, M.L., et al., Hydraulic design of A-type piano key weirs. Journal of Hydraulic Research, 2012. 50(4): p. 400-408.
10. Lempérière, F. and A. Ouamane, The Piano Keys weir: a new cost-effective solution for spillways. International Journal on Hydropower & Dams, 2003. 10(5): 144-149.
11. Hasani, M.A. and M. Mehraein. The effect of the angle of the wire wall of the piano key on the water passage. in the first conference of engineering opportunities and challenges of Alborz province. 2017.
12. Barcouda, M., et al., Cost effective increase in storage and safety of most dams using fusegates or PK Weirs, in proceedings of 22 nd ICOLD congress. CIGB/ICOLD, Barcelona, Spain Q, 2006. 86: p. R3.
13. Hien, T.C., H.T. Son, and M.H.T. Khanh. Results of some piano keys weir hydraulic model tests in Vietnam. in Proc. of the 22nd Congress of ICOLD, Barcelona, Spain. 2006.
14. Anderson, R. and B. Tullis, Comparison of piano key and rectangular labyrinth weir hydraulics. Journal of Hydraulic Engineering, 2011. 138(4): p. 358-361.
15. Ouamane, A. and F. Lempérière. Design of a new economic shape of weir. in Proceedings of the International Symposium on Dams in the Societies of the 21st Century. 2006.
16. Kabiri-Samani, A. and A. Javaheri, Discharge coefficients for free and submerged flow over Piano Key weirs. Journal of Hydraulic Research, 2012. 50(1): p. 114-120.
17. Safarzadeh Gandashmin, A. and B. Neurozi. 3D Hydrodynamics of Trapezoidal Piano Key Spillways, 2017, International Journal of Civil Engineering, 15(1), p.89-101.
18. Oertel, M., Piano key weir research: State-of-the-art and future challenges. 2018.
19. Rajaei, A., M. Esmaeili Varaki, and B. Shafei Sabet, Experimental investigation on local scour at the downstream of grade control structures with labyrinth planform. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 2018: p. 1-11.
20. Jüstrich, S., M. Pfister, and A.J. Schleiss, Mobile riverbed scour downstream of a Piano Key weir. Journal of Hydraulic Engineering, 2016. 142(11): p. 04016043.
21. Ahmadi Dehrshid, F. and Q. Gohari. Investigating the effect of discharge and depth of tailwater on the dimensions of the washout hole downstream of the piano key weir. in International Conference on Civil Engineering. 2015.
22. Mehboudi, A., J. Attari, and S. Hosseini, Experimental study of discharge coefficient for trapezoidal piano key weirs. Flow Measurement and Instrumentation, 2016. 50: p. 65-72.
23. Mehboudi, A., J. Attari, and A. Hosseini. Flow regimes over trapezoidal piano key weirs. in Labyrinth and Piano Key Weirs III: Proceedings of the 3rd International Workshop on Labyrinth and Piano Key Weirs (PKW 2017), February 22-24, 2017, Qui Nhon, Vietnam. 2017. CRC Press.