بررسی آزمایشگاهی تاثیر رسوبات درشت‌دانه بستر بر تنش‌برشی بحرانی ته‌نشینی رسوبات معلق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب دانشگاه فردوسی مشهد/ مشهد، ایران

2 گروه آموزشی علوم مهندسی آب، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

3 گروه مهندسی آب دانشگاه شهرکرد

چکیده

اهمیت مطالعات رسوب در مباحث مهندسی رودخانه و احداث سازه های هیدرولیکی به خوبی شناخته شده است. در این میان تنش برشی بحرانی ته نشینی رسوبات معلق یکی از پارامترهای بسیار مهم در مباحث هیدرولیک رسوب می‌باشد. از این رو در این تحقیق به بررسی تنش برشی بحرانی ته نشینی رسوبات در حضور رسوبات بستر پرداخته شده است. به همین منظور آزمایش های ته نشینی با استفاده از یک فلوم دایره ای به قطر 1/9 و عرض 0/3 متر و در سه تنش برشی جریان، شش حالت از بستر (بستر صاف و پنج دانه بندی رسوبات درشت دانه) و با غلظت های اولیه 5 ،10 و 20 گرم بر لیتر انجام شد. نتایج نشان داد به ازای غلظت اولیه یکسان و سرعت برابر چرخش فلوم، ته نشینی رسوبات معلق در بستر حاوی رسوبات نسبت به حالت بستر صاف بیشتر است. این در حالی است که برای سرعت های مشخص چرخش فلوم، رسوبات درشت دانه بستر موجب افزایش تنش برشی متوسط جریان می‌شوند. همچنین مشخص شد رسوبات بستر به طور کلی موجب افزایش تنش برشی ته نشینی کامل نسبت به بستر صاف می‌شوند. بر این اساس می‌توان اظهار داشت که در بستر با رسوبات درشت دانه، در جریان با آشفتگی بیشتر، همچنان شرایط ته نشینی کامل برای رسوبات معلق فراهم است. نتایج این تحقیق برای مقادیر تنش برشی آستانه ته نشینی نشان داد در بستر صاف به ازای تنش های برشی کمتر از 1/28 نیوتن بر متر مربع رسوبات در آستانه ته نشینی قرار می‌گیرند، اما برای بستر های حاوی رسوب درشت دانه مشاهده شد که در هر تنش برشی جریان رسوبات معلق ته نشین و در میان رسوبات بستر تله اندازی می‌شوند. بر این اساس می‌توان بیان داشت که به دلیل پدیده تله اندازی رسوبات معلق، در بسترهای حاوی رسوبات درشت دانه نمی‌توان تنش برشی آستانه فرسایش برای رسوبات معلق در نظر گرفت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of the Effect of Bed’s Coarse Grain Sediments on the Critical Shear Stress for Deposition of Suspended Sediments

نویسندگان [English]

  • Milad Khastar Boroujeni 1
  • Saeed Reza Khodashenas 2
  • Hossein Samadi-Boroujeni 3
1 Water Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad/ Mashhad, Iran
2 Water Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad
3 دانشگاه شهرکرد
چکیده [English]

The importance of sediments studies for safety design of hydraulic structures has been drawn attention by river engineers. Determining the critical shear stress for suspended sediment is of highly significant in sediment hydraulics. Therefore in this research, the deposition process of suspended sediment in the presence of bed sediment has been investigated. Deposition experiments were carried out in the circular flume for three values of shear stress, six types of beds (smooth bed and five coarse[1]grained sediments) with initial concentrations of 5, 10 and 20 g/l. The results showed that, for the same initial concentration and equal velocity of flume rotation, the deposition of suspended sediments in the bed containing sediments is higher than that of the smooth bed. However, for specific flume rotation velocity, the bed coarse-grained increased the average of flow shear stresses. It was also found that bed sediments generally increased the critical shear stress for all deposition relative to the smooth bed. Accordingly, it can be explained that in the bed with coarse grain sediments, in the flow with bigger turbulence, full deposition conditions for suspended sediments still exist. The results of this study showed for threshold critical shear stress in a smooth bed, for shear stress of less than 1.28 N/m2, sediments are in the state of the deposition threshold, but for bed containing coarse grain sediment was observed in which the suspended sediments was deposited in each flow shear stress and trapped among bed sediments. Also, it can be stated that due to the phenomenon of trapping suspended sediments in the bed containing coarse grain sediments, cannot be considered threshold critical shear stress for deposition of suspended sediments.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Entrapment
  • Erosion Rate
  • Circular Flume
  • Cohesive Sediments
  • Critical shear stress
[1] E. Partheniades, Cohesive Sediments in Open Channels, Elsevier Inc,Burligton, USA, (2009).
[2] J. Huang, R.C. Hilldate, B.P. Greiman, Erosion and sedimentation manual, in, U.S. Department of the interior. United States Bureau of Reclamation, (2006).
[3] Droppo IG, D’Andrea L, Krishnappan BG, Jaskot C, Trapp B, Basuvaraj M, Liss SN, Fine-sediment dynamics: towards an improved understanding of sediment erosion and transport, in: Journal of Soil Sediment (2015), 15:467–479.
[4] R.B. Krone, Flume Studies of the Transport of Sediment in Estuarial Shoaling Processes,, Technical Report, Hydraulic Engineering Laboratory, University of California, Berkeley California., (1962).
[5] A.J. Mehta, E. Partheniades, Depositional Behavior of Cohesive Sediments, Univ. of Florida, Gainesville, Florida, (1973).
[6] A.J. Mehta, E. Partheniades, Depositional Behavior of Cohesive Sediments, Univ. of Florida, Gainesville, Florida, (1973).
[7] J.P. Maa, J. Kwon, K. Hwang, H.K. Ha, Critical bed shear stress for cohesive sediment deposition under steady flows, Journal of Hydraulic Enigineering (ASCE), 134(12), (2008), pp 5.
[8] D. Milburna, B.G. Krishnappan, Modelling Erosion and Deposition of Cohesive Sediments from Hay River, Northwest Territories, Canada, in:  13’ Northern Res. Basins/Workshop, Nordic Hydrology, Territories, Canada, (2001), pp. 14.
[9] B.G. Krishnappan, R. Stephens, Critical shear stresses for erosion and deposition of fine suspended sediment from the Athabasca River, Northern River Basins Study Project, (1996).
[10] M. Khastar-Boroujeni, K. Esmaili, H. Samadi-Boroujeni, A. Ziaei, Wastewater Effect on the Deposition of Cohesive Sediment, Journal of Environmental Engineering, ASCE, (2018).
[11] H. Samadi- Boroujeni, M. Khastar Boroujeni, R. Fatahi Nafchi, M. Ghasemi, M. Heidari, Experimental Study on suspended sediment deposition process in Karkheh dam reservoir, Amirkabir Journal of Civil Engineering, (2018).
[12] N. Vojdani, M. Ghomshi, Erosion critical shear stress of cohesive sediment and its role in the design of open channels, in: national conference on irrigation
and dranage network management, Sh Chamran
University, (2006).
[13] W.I. Ford, J.F. Fox, Model of particulate organic carbon transport, in an 431 agriculturally impacted stream,. Hydrological Processes, (2014), 28(3), 662-675.
[14] B.G. Krishnappan, P. Engel, Entrapment of fines in coarse sediment beds, River Flow Ferreira, Alves, Leal and Cardoso (eds). Taylor and Francis Group, London, (2006), 817–824.
[15] D. Huston, J. Fox, Clogging of fine sediment within gravel substrates: dimensional analysis and macroanalysis of experiments in hydraulic flumes, in Journal of Hydraulic Engineering, (2015), 141:04015015.
[16] K. Glasgerben, M. Stone, B. Krishnappan, J. Dixon, U. Silins, The effect of coarse gravel on cohesive sediment entrapment in an annular flume, in:  Proceedings of the International Association of Hydrological Sciences (2015), pp. 5.
[17] E. Partheniades, J. G.Kennedy, Deposition behavior of fine sediment in a turbulent fluid motion, Proc., 10th Int. Conf. on Coastal Engineering, Tokyo, (1966), pp.707–724.
[18] E.Partheniades, R.H. Cross, A. Ayora, Further research on the deposition of cohesive sediments, in Proceedings of the 11th Conference on Coastal Engineering, (1968), pp. 723–772.