بررسی آزمایشگاهی اثرات تعداد پله، شیب و اندازه ذرات بر استهلاک انرژی در سرریزهای پله ای توری سنگی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه تبریز

2 Tabriz University, Agricultural faculty, Irrigation department

3 استاد، گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه تبریز

چکیده

سرریز پله‌ای توری سنگی، سازه محیط زیست پسند و هیدرولیکی سادهای است که جهت استهلاک انرژی جریان در
سدهای مختلف و یا جهت کنترل فرسایش پایین دست سازه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. بیشتر تحقیق‌های انجام
گرفته قبلی مربوط به سرریزهای پلکانی بتنی و صلب بوده، لذا مطالعات بر روی سرریزهای پله‌ای توری سنگی بسیار اندک
می‌باشد. در این تحقیق با استفاده از روش آزمایشگاهی و مدل فیزیکی، مولفه‌های مختلفی که بر روی افت انرژی جریان
عبوری از روی سرریزهای پله‌ای توری سنگی)گابیونی( مؤثر می‌باشند، مطالعه و با تحقیق‌های دیگر دانشمندان نیز مقایسات
لازم صورت گرفته شده است. جریان عبوری از سرریز توری سنگی هم به صورت درون گذر و هم به صورت روگذر )هر دو به
طور همزمان( صورت گرفت و مقدار انرژی تلف شده در طول سازه بر اساس رابطه انرژی محاسبه گردید. در این تحقیق از
ذرات کاملاً یکنواخت با سه قطر متوسط ) 10 )d50 ، 25 و 40 میلی‌متر استفاده شده است. ارتفاع و عرض مدل‌های فیزیکی
ساخته شده از سرریز پلکانی توری سنگی ثابت و به ترتیب 60 و 40 سانتی‌متر، با پله‌های 3 ، 6 و 12 تایی و ارتفاع پله‌ها 5 ،
10 و 20 سانتی متری و شیب سرریزها 1:1 ، 1:2 و 1:3 ) 2 و 3 افقی، 1 قائم( می باشد. نتایج نشان داد که در سرریزهای پله‌ای
توری سنگی شیبنمای پایین دست سرریز تأثیر ناچیزی بر افت انرژی جریان دارد. همچنین با بیشتر شدن تعداد پله های سازه
)برای h/l ثابت( افت انرژی کاهش می‌یابد. قطر متوسط ذرات 10 میلی متربه ازای 92 / 0 ≥  y0/HW     و قطر متوسط ذرات 40
میلی متر به ازای 92 / y0/HW > 0 دارای بیشترین افت انرژی نسبی می‌باشند. با توجه به اینکه مصالح سنگی به کار رفته در
این تحقیق از نوع شکسته می‌باشند، لذا پیشنهاد می‌گردد تا بر روی مصالح سنگی گردگوشه نیز تحقیق های بیشتر صورت بگیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Laboratory Study of the Effects of Step Number, Slope and Particle Size on Energy Dissipation in Gabion Stepped Weirs

نویسندگان [English]

  • Sina Razi 1
  • Farzin Salmasi 2
  • Ali Hoseinzade Dalir 3
1 PhD candidate, University of Tabriz, Tabriz-Iran
3 Professor, University of Tabriz, Tabriz-Iran
چکیده [English]

 
 Gabion stepped weir is a simple hydraulic and environment friendly structure that can be used to dissipate flow energy in downstream of dams or to control downstream erosion of various structures. Most researches have been related to concrete and rigid stepped spillways, so studies on gabion stepped weirs are very small. In this research, using the experimental method and physical model, various components that affected the energy loss in gabion stepped weirs were studied and comparisons with other studies by researchers were also made. The flow passes in gabion stepped weir was carried out both in overflow and inflow (both simultaneously) and the amount of energy dissipation along the structure was calculated based on the energy relation. In this study, completely uniform particles with three diameters (d50) of 10, 25 and 40 mm were used. The height and width of physical models made of gabion stepped weirs were 60 cm and 40 cm respectively, with stairs of 3, 6 and 12 and height of stairs 5, 10 and 20 cm and the slope of the weirs are 1:1, 1:2 and 1:3 (2 and 3 horizontals, 1 vertical). In the gabion stepped weirs, the downward slope of the weir had a negligible impact on the energy dissipation. As the number of steps increased (for constant h/l), the energy loss was decreased. The average diameter of the particles of 10 mm for y0/Hw<0.92 and the average diameter of the particles of 40 mm for y0/Hw>0.92 had the highest of relative energy loss. Due to the fact that the stone materials used in this research are of a broken type, it is recommended that further research be carried out on round stone materials.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gabion Weir
  • stepped spillway
  • energy loss
  • Stone Size
[1]   I. Ohtsu, Y. Yasuda, M. Takahashi, Flow characteristics of skimming flows in stepped channels, Journal of hydraulic Engineering, 130(9) (2004) 860- 869.
[2]   C. Chinnarasri, S. Wongwises, Flow regimes and energy loss on chutes with upward inclined steps, Canadian Journal of Civil Engineering, 31(5) (2004) 870-879.
[3]   R.M. Boes, W.H. Hager, Two-phase flow characteristics of stepped spillways, Journal of Hydraulic Engineering, 129(9) (2003) 661-670.
[4]   C. Chinnarasri, S. Donjadee, U. Israngkura, Hydraulic characteristics of gabion-stepped weirs, Journal of Hydraulic Engineering, 134(8) (2008) 1147-1152.
[5]   F. Salmasi, M. Chamani, D.F. Zadeh, Experimental study of energy dissipation over stepped gabion spillways with low heights, Iranian Journal of Science and Technology. Transactions of Civil Engineering, 36(C2) (2012) 253.
[6]   H.I. Mohamed, Flow over gabion weirs, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 136(8) (2009) 573-577.
[7]   C.A. Gonzalez, M. Takahashi, H. Chanson, An experimental  study  of  effects  of  step  roughness  in skimming flows on stepped chutes, Journal of Hydraulic Research, 46(sup1) (2008) 24-35.
[8]   R.M. Sorensen, Stepped spillway hydraulic model investigation, Journal of Hydraulic Engineering, 111(12) (1985) 1461-1472.
[9]   G.C. Christodoulou, Energy dissipation on stepped spillways, Journal of Hydraulic Engineering, 119(5) (1993) 644-650.
[10] W. Rand, Flow geometry at straight drop spillways, in: Proceedings of the American Society of Civil Engineers, ASCE, 1955, pp. 1-13.
[11] L.a. Peyras, P. Royet, G. Degoutte, Flow and energy dissipation over stepped gabion weirs, Journal of Hydraulic Engineering, 118(5) (1992) 707-717.
[12] M. Chamani, N. Rajaratnam, Characteristics of skimming flow over stepped spillways, Journal of Hydraulic Engineering, 125(4) (1999) 361-368.
[13] A. Hamedi, A. Mansoori, I. Malekmohamadi, H. Roshanaei, Estimating energy dissipation in stepped spillways with reverse inclined steps and end sill, in: World Environmental and Water Resources Congress 2011: Bearing Knowledge for Sustainability, 2011, pp. 2528-2537.
[14] H.K. Zare, J.C. Doering, Effect of rounding edges  of stepped spillways on the flow characteristics, Canadian Journal of Civil Engineering, 39(2) (2012) 140-153.
[15] C. Chinnarasri, S. Wongwises, Flow Patterns and Energy Dissipation over Various Stepped Chutes, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 132(1) (2006) 70-76.
[16] G.M.A. Aal, M. Sobeah, E. Helal, M. El-Fooly, Improving energy dissipation on stepped spillways using breakers, Ain Shams Engineering Journal, (2017).
[17] E. Elnikhely, Investigation and analysis of scour downstream of a spillway, Ain Shams Engineering Journal, (2017).
[18] D. Stephenson, Gabion energy dissipators, in: Proc. 13th ICOLD Congress, 1979, pp. 33-43.
[19] G.G. Pegram, A.K. Officer, S.R. Mottram, Hydraulics of skimming flow on modeled stepped spillways, Journal of hydraulic engineering, 125(5) (1999) 500-510.
[20] C.-l. Chen, Momentum and energy coefficients based on power-law velocity profile, Journal of Hydraulic Engineering, 118(11) (1992) 1571-1584.
[21] J. Kells, Energy dissipation at a gabion weir with throughflow and overflow, in: Ann. Conference Can. Soc. Civ. Engrg., Winnipeg, Canada, June, 1994, pp. 1-4.
[22] J.M. Leu, H.C. Chan, M.S. Chu, Comparison of turbulent flow over solid and porous structures mounted on the bottom of a rectangular channel, Flow Measurement and Instrumentation, 19(6) (2008) 331-337.