دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته ی مهندسی آب - سازه های آبی
تاثیر دیواره جانبی بر ابعاد چاله آبشستگی در پایین دست کالورت
چکیده:
کالورت از جمله سازه های حفاظتی محسوب می شود که از ساختمان جاده و کانال در برابر آسیب سیلاب محافظت می کند. این سازه جریان سیلاب را از میان جاده، کانال و یا راه آهن عبور می دهد. هیدرولیک جریان در کالورت بسیار پیچیده است. جریان درون کالورت در شش تیپ هیدرولیکی مختلف طبقه بندی شد که بر اساس استغراق ورودی و خروجی و شرایط جریان درون مجرا است. در تیپ-های 3 و 6 جریان فوق بحرانی است بنابراین مقطع کنترل در ورودی قرار دارد. جریان در تیپ های 1، 2، 4 و 5 ریربحرانی است، بنابراین مقطع کنترل در خروجی قرار دارد. چون سطح مقطع کالورت از سطح مقطع کانال طبیعی کوچکتر است، بنابراین سرعت در کالورت بیشتر است. در ورودی کالورت انقباض جریان و در خروجی واگرایی جریان رخ می دهد. این همگرایی و واگرایی جریان سبب وقوع آبشستگی موضعی در ورودی و خروجی کالورت می شود.
دیواره جانبی سازه ای است که در ورودی و خروجی کالورت قرار داده می شود. این سازه علاوه بر اینکه به پایداری سازه کمک می-کند بر الگوی آبشستگی نیز تاثیر می گذارد. هدف از این پژوهش بررسی تاثیر زوایای مختلف دیواره جانبی بر الگوی آبشستگی در پایین دست کالورت، در شرایط هیدرولیکی مختلف است. نتایج حاصل از پژوهش نشان داد که دیواره جانبی اگر با زاویه مناسب در خروجی قرار گیرد می تواند الگوی آبشستگی را به نحو مطلوبی تحت تاثیر قرار دهد. در این پژوهش 5 دیواره جانبی با زوایای 15، 30، 45، 60 و 75 درجه، در تیپ های هیدرولیکی 1 و 4 مورد بررسی قرار گرفت. در دیواره جانبی 15 درجه چون خطوط جریان منطبق بر دیواره ها است، گردابه تشکیل نمی شود بنابراین عمق آبشستگی به میزان قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. دیواره جانبی 60 و 75 درجه عملکرد مناسبی در کاهش آبشستگی نداشته و در بیشتر موارد بر شدت آبشستگی افزودند. استفاده از دیواره جانبی در تیپ 4، با هر زاویه ای موجب کاهش عمق آبشستگی می شود اما در تیپ 1 فقط در زاویه 15 درجه، حداکثر عمق آبشستگی کاهش می-یابد. از آنجایی که امکان وقوع انواع مختلف جریان در یک کالورت خاص وجود دارد، استفاده از دیواره جانبی 15 درجه در پایین دست کالورت توصیه می شود.
کلید واژگان:
کالورت
دیواره جانبی
آبشستگی
مقدمه
سیل یک بلای طبیعی است که هرساله خسارات زیادی به انسان وارد می کند. انسان ها تدابیر مختلفی برای کنترل اثر سیلاب و کمتر کردن خسارت های آن انجام داده اند. یکی از مهم ترین مشکلاتی که در زمان وقوع سیلاب مطرح می باشد این است که هنگام وقوع سیلاب مسیرهای ارتباطی نیز دچار خسارت می شوند و عملیات امدادرسانی و بازسازی را به تأخیر می اندازد. کالورت یکی از رایج ترین سازه های مهندسی عمران می-باشد و بیش از 3500 سال است که مورد استفاده قرار می گیرد (چانسون ، 2007).
این سازه برای عبور سیلاب از زیر جاده ها استفاده می شود بنابراین اگر کالورت-ها به درستی طراحی نشوند در مواقع سیلابی نمی-توانند عملکرد مناسبی داشته باشند و زیان های سیلاب افزوده خواهد شد. کالورت ها اغلب در مسیر آبروهای طبیعی احداث می شوند بنابراین پدیده آبشستگی در کالورت اهمیت زیادی پیدا می کند. ساختمان کالورت بگونه ای است که سطح مقطع جریان کوچک می شود بنابراین یک همگرایی جریان در ورودی کالورت و یک واگرایی جریان در خروجی کالورت، وجود دارد. این همگرایی و واگرایی آبشستگی را تشدید می کند.
کالورت کانال بسته ای است که از آن برای انتقال آب از یک نقطه به نقطه دیگر، اغلب از یک سمت جاده به سمت دیگر جاده مورد استفاده قرار می گیرد (آبیدا و تونسند ، 1991). کالورت رواناب طوفان یا آب زهکش را عبور می دهد و از سازه های حفاظتی می-باشد. سازه های حفاظتی از کانال و سازه های مجاور در برابر آسیب رواناب، زه آب و یا جریان غیرقابل کنترل درون کانال حفاظت می کنند (آیزنبری و همکاران ، 1978).
کالورت زمانیکه به درستی طراحی و در مکان مناسب قرار داده شود یک ابزار کارآمد و ارزان برای عبور آب فراهم می کند. انواع مختلفی از کالورت ها برای استفاده وجود دارند، از جمله متداول ترین آنها لوله های فولادی موجدار هستند. کالورت بتن مسلح و کالورت های لوله پلاستیکی اغلب در مناطق دوردست استفاده می شوند (بخش مدیریت منابع آب ، 1992). کالورت ها را از نظرعملکرد می توان به دو دسته تقسیم کرد: 1-عبور رواناب، 2-مدیریت جریان. بطورکلی طراحی کالورت ها روی عبور حداکثر دبی با حفظ ارتفاع آزاد متمرکز شده است (کروکستون ، 2008). یک کالورت باید بطور مطمئن حجم جریان پیش بینی شده را عبور دهد و هیچگونه تأثیر نامطلوب زیست محیطی در معبر یا مناطق بالادست و پایین دست نداشته باشد، همچنین دارای مقاومت کافی در برابر عمل فرسایشی جریان، باشد. ملاک های طراحی کالورت با مشخصات جریان و تراز بزرگراه محدود می شود (بخش مدیریت منابع آب، 1992).
فهرست مطالب
فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه 2
1-2- کالورت 3
1-3- هیدرولیک کالورت 4
1-4- آبشستگی 8
1-5- اهداف پژوهش 9
1-6- مروری بر مطالب سایر فصل ها 9
فصل دوم: مروری بر پژوهش های پیشین
2-1- مقدمه 11
2-2- کالورت 11
2-2-1- انواع شکل های کالورت 12
2-2-2- مصالح مورد استفاده در کالورت 13
2-2-3- انواع ورودی کالورت 13
2-2-4- تبدیل ها 13
2-2-5- دیواره جانبی در کالورت 15
2-3- مطالعات هیدرولوژی در کالورت 17
2-3-1- دبی اوج طراحی درکالورت 18
2-4- داده های محل کالورت 18
2-4-1- داده های آبراهه 19
2-4-2- پروفیل کالورت 19
2-5- هیدرولیک کالورت 20
2-5-1- ارتفاع سراب 20
2-5-2- ارتفاع پایاب 21
2-5-3- سرعت در خروجی کالورت 22
2-5-4- شرایط جریان در کالورت 22
2-5-4-1- جریان پر 22
2-5-4-2- جریان نیمه پر( جریان آزاد) 22
2-5-5- انواع کنترل جریان در کالورت 23
2-5-5-1- کنترل ورودی 24
2-5-5-2- هیدرولیک کنترل ورودی 26
2-5-5-3- کنترل خروجی 28
2-5-5-4- هیدرولیک کنترل خروجی 30
2-5-6- منحنی عملکرد 32
2-6- طراحی کالورت 33
2-7- مراحل طراحی کالورت 34
2-8- مطالعات هیدرولیکی کالورت 35
2-9- رسوبگذاری در کالورت 37
2-10- آبشستگی 38
2-10-1- حرکت اولیه ی رسوبات بستر 39
2-11- آبشستگی کالورت 41
2-11-1- آبشستگی عمومی 41
2-11-2- آبشستگی موضعی 42
2-11-2-1- آبشستگی در ورودی کالورت 42
2-11-2-2- آبشستگی در خروجی کالورت 43
2-11-3- آنالیز ابعادی آبشستگی در کالورت 45
2-11-3-1- دبی جریان(Q) 46
2-11-3-2- عرض کالورت 46
2-11-3-3- عمق پایاب 47
2-11-3-4- شیب کالورت 47
2-11-3-5- شکل کالورت 48
2-11-3-6- اندازه رسوبات 49
2-12- ضعف مطالعات پیشین 52
فصل سوم: مواد و روش ها
3-1- مقدمه 54
3-2– مدلسازی هیدرولیکی 54
3-2-1- دیواره جانبی 55
3-2-2- روش انجام آزمایش 56
3-3- رسوب 60
3-3-1- مدت زمان آزمایش 60
3-4- تجهیزات آزمایشگاهی 61
3-4-1- کانال آزمایش 61
3-4-2- مشخصات کالورت 62
3-4-3- سیستم تأمین آب 63
3-5- وسیله اندازه گیری عمق آبشستگی 64
فصل چهارم: بحث و نتایج
4-1- مقدمه 66
4-2- پارامترهای آبشستگی درکالورت دایره ای، تیپ 1 هیدرولیکی (CT1) 66
4-3- پارامترهای آبشستگی در کالورت دایره ای، تیپ 4 هیدرولیکی (CT4) 68
4-4- پارامترهای آبشستگی در کالورت مستطیلی، تیپ 1 هیدرولیکی (BT1) 71
4-5- آبشستگی پاییندست کالورت مستطیلی، تیپ4 هیدرولیکی (BT4) 73
4-6- مقایسه درصد تغییر آبشستگی 76
4-6-1- کالورت دایره ای 76
4-6-1-1- درصد تغییر حداکثر عمق آبشستگی 76
4-6-1-2- درصد تغییر حداکثر ارتفاع رسوبگذاری 77
4-6-1-3- درصد تغییر حداکثر طول آبشستگی 78
4-6-2- کالورت مستطیلی 79
4-6-2-1- درصد تغییر حداکثر عمق آبشستگی 79
4-6-2-2- درصد تغییر حداکثر ارتفاع رسوبگذاری 79
4-6-2-3- درصد تغییر حداکثر طول آبشستگی 80
4-6-3- مقایسه بین کالورت دایره ای و مستطیلی 81
4-6-3-1- تیپ 1 هیدرولیک 81
4-6-3-2- تیپ 4 هیدرولیکی 83
4-7- الگوی آبشستگی و رسوبگذاری 85
4-7-1- کالورت دایره ای، تیپ 1 هیدرولیکی 85
فصل پنجم: نتیجه گیری
5-1- خلاصه نتایج 97
5-2- پیشنهادات 98
فهرست منابع
چکیده و صفحه عنوان به انگلیسی
فهرست شکل ها
شکل 1 1 تیپ های مختلف جریان در کالورت، 7
شکل 2 1 شکل های مختلف مقطع کالورت 12
شکل 2 2 انواع تبدیل ها 14
شکل 2 3 دیواره جانبی در خروجی کالورت 16
شکل 2 4 مقطع طولی در کالورت دارای خم عمودی 20
شکل 2 5 تیپ 3 هیدرولیکی 24
شکل 2 6 تیپ 6 هیدرولیکی 25
شکل 2 7 کنترل ورودی (ورودی آزاد و خروجی مستغرق) 25
شکل 2 8 منحنی کنترل ورودی 27
شکل 2 9 تیپ 1 هیدرولیکی 28
شکل 2 10 تیپ 2 هیدرولیکی 29
شکل 2 11 تیپ 4 هیدرولیکی 30
شکل 2 12 تیپ 5 هیدرولیکی 30
شکل 2 13 منحنی عملکرد کالورت 33
شکل 2 14 نیروهای وارد بر یک ذره رسوب 38
شکل 2 15 آستانه حرکت رسوبات (دیاگرام شیلدز) 40
شکل 2 16 انقباض جریان و منطقه جدایی جریان 43
شکل 2 17 گام های هیدروگراف برای آزمایش. تنظیم اول برای رسوبات به قطر متوسط 85/0 میلی متر و تنظیم دوم برای رسوبات به قطر 2 میلی متر 51
شکل 3 1 تصویری از دیواره جانبی در ورودی کالورت در حالت دایره ای 56
شکل 3 2 شرایط هیدرولیکی در کالورت مستطیلی، تیپ1 58
شکل 3 3 شرایط هیدرولیکی در کالورت مستطیلی، تیپ4 58
شکل 3 4 شرایط هیدرولیکی درکالورت دایره ای، تیپ1 58
شکل 3 5 شرایط هیدرولیکی درکالورت دایره ای، تیپ4 58
شکل 3 6 دانه بندی رسوبات مورد استفاده 60
شکل 3 7 نمودار زمان تعادل(عمق آبشستگی-زمان) 61
شکل 3 8 نمایی از کانال مورد استفاده 62
شکل 3 9 خروجی مدل آزمایشگاهی 63
شکل 3 10 سیستم تاًمین آب آزمایشگاه 64
شکل 3 11 دستگاه زبری سنج برای اندازه گیری عمق آبشستگی 64
شکل 4 1 خطوط هم تراز بستر در حالت CT1-15 86
شکل 4 2 خطوط هم تراز بستر در حالت CT1-30 86
شکل 4 3 خطوط هم تراز بستر در حالت CT1-45 86
شکل 4 4 خطوط هم تراز بستر در حالت CT1-60 87
شکل 4 5 خطوط هم تراز بستر در حالت CT1-75 87
شکل 4 6 خطوط هم تراز بستر در حالت CT1-90 87
شکل 4 7 خطوط هم تراز بستر در حالت CT4-15 88
شکل 4 8 خطوط هم تراز بستر در حالت CT4-30 88
شکل 4 9 خطوط هم تراز بستر در حالت CT4-45 88
شکل 4 10 خطوط هم تراز بستر در حالت CT4-60 89
شکل 4 11 خطوط هم تراز بستر در حالت CT4-75 89
شکل 4 12 خطوط هم تراز بستر در حالت CT4-90 89
شکل 4 13 خطوط هم تراز بستر در حالت BT1-15 90
شکل 4 14 خطوط هم تراز بستر در حالت BT1-30 90
شکل 4 15 خطوط هم تراز بستر در حالت BT1-45 91
شکل 4 16 خطوط هم تراز بستر در حالت BT1-60 91
شکل 4 17 خطوط هم تراز بستر در حالت BT1-75 91
شکل 4 18 خطوط هم تراز بستر در حالت BT1-90 92
شکل 4 19 خطوط هم تراز بستر در حالت BT4-15 92
شکل 4 20 خطوط هم تراز بستر در حالت BT4-45 92
شکل 4 21 خطوط هم تراز بستر در حالت BT4-60 93
شکل 4 22 خطوط هم تراز بستر در حالت BT4-75 93
شکل 4 23 خطوط هم تراز بستر در حالت BT4-90 93
شکل 4 24 هندسه چاله آبشستگی پایین دست کالورت دایره ای 95
شکل 4 25 هندسه چاله آبشستگی پایین دست کالورت مستطیلی 95
فهرست نمودارها
نمودار 4 1 حداکثر عمق آبشستگی در حالت CT1 67
نمودار 4 2 حداکثر ارتفاع رسوبگذاری در حالت CT1 67
نمودار 4 3حداکثر طول آبشستگی در حالت CT1 68
نمودار 4 4مقایسه نیمرخ های مختلف آبشستگی در حالت CT1 68
نمودار 4 5 حداکثر عمق آبشستگی در حالت CT4 69
نمودار 4 6 حداکثر ارتفاع رسوبگذاری در حالت CT4 69
نمودار 4 7 حداکثر طول آبشستگی در حالت CT4 70
نمودار 4 8 مقایسه نیمرخ های مختلف آبشستگی در حالت CT4 70
نمودار 4 9 حداکثر عمق آبشستگی در حالت BT1 71
نمودار 4 10 حداکثر ارتفاع رسوبگذاری در حالت BT1 72
نمودار 4 11 حداکثر طول آبشستگی در حالت BT1 72
نمودار 4 12 مقایسه نیمرخ های مختلف آبشستگی در حالت BT1 73
نمودار 4 13حداکثر عمق آبشستگی در حالت BT4 74
نمودار 4 14 حداکثر ارتفاع رسوبگذاری در حالت BT4 74
نمودار 4 15 حداکثر طول آبشستگی در حالت BT4 75
نمودار 4 16 مقایسه نیمرخ های مختلف آبشستگی در حالت BT4 75
نمودار 4 17 مقایسه درصد تغییر آبشستگی درحالت CT1 و CT4 77
نمودار 4 18 مقایسه درصد تغییر رسوبگذاری در حالت CT1 و CT4 78
نمودار 4 19 مقایسه درصد تغییر طول آبشستگی در حالت CT1 و CT4 78
نمودار 4 20 مقایسه درصد تغییر عمق آبشستگی در حالت BT1 و BT4 79
نمودار 4 21 مقایسه درصد تغییر ارتفاع رسوبگذاری در حالت BT1 و BT4 80
نمودار 4 22 مقایسه درصد تغییر طول آبشستگی در حالت BT1 و BT4 81
نمودار 4 23 درصد تغییر حداکثر عمق آبشستگی درحالت BT1 و CT1 82
نمودار 4 24 مقایسه درصد تغییر ارتفاع رسوبگذاری در حالت BT1 و CT1 82
نمودار 4 25 مقایسه درصد تغییر طول آبشستگی در حالت BT1 و CT1 83
نمودار 4 26 مقایسه درصد تغییر عمق آبشستگی در حالت BT4 و CT4 84
نمودار 4 27 مقایسه درصد تغییر حداکثر ارتفاع رسوبگذاری در حالت BT4 و CT4 84
نمودار 4 28 مقایسه درصد تغییر حداکثر طول آبشستگی در حالت BT4 و CT4 85
فهرست جدول ها
جدول 2 1 ضرایب افت ورودی و خروجی برای انواع تبدیل ها 15
جدول 2 2 ضریب افت ورودی برای انواع دیواره جانبی ورودی 17
جدول 2 3 ضرایب a و b ارائه شده برای معادله (2-22) 50
جدول 3 1 شرایط تست های آزمایشگاهی 59
فهرست نمادها
A سطح مقطع کالورت
B عرض کانال پایین دست
Cd ضریب دبی روزنه
Ce ضریب افت ورودی کالورت
Cw ضریب سرریز
D0.5 قطری که در نمودار دانه بندی 50%ذرات از آن کوچکترند
dm قطر متوسط ذرات رسوب
D ارتفاع کالورت
E انرژی ویژه
g شتاب ثقل
H تراز انرژی
*H عمق بحرانی در دهانه ورودی کالورت
Hb افت خم
He افت ورودی کالورت
Hf افت اصطکاکی درون مجرای کالورت
Hj افت اتصال
Ho افت خروجی
Hs حداکثر ارتفاع رسوبگذاری
Hv هد سرعت
HW ارتفاع سراب
Ku ضریب افت اصطکاکی
L طول کالورت
Ls حداکثر طول آبشستگی
n ضریب زبری مجرا
P محیط مجرا
q دبی در واحد عرض
Q نرخ جریان
RH شعاع هیدرولیکی
S0 شیب کالورت
Sc شیب بحرانی درون مجرا
Sf شیب خط انرژی
Uc سرعت بحرانی
V سرعت درون مجرا
*V سرعت برشی
c*V سرعت برشی بحرانی
Vd سرعت در کانال پایین دست
Vs حداکثر حجم آبشستگی
W عرض کالورت
Ws حداکثر عرض آبشستگی
y عمق جریان
y0 عمق نرمال
yc عمق بحرانی
yH عمق هیدرولیکی
ys حداکثر عمق آبشستگی
yt عمق جریان در پایین دست کالورت
θc پارامتر شیلدز
μ لزجت دینامیکی آب
ρ چگالی آب
ρs چگالی ذرات رسوب
σ انحراف معیار ذرات رسوب
τ0 تنش برشی بستر
قیمت: 50٬000 تومان
قیمت: 15٬000 تومان
قیمت: 135٬000 تومان