بررسی آزمایشگاهی تغییرات زمانی عمق آبشستگی و محل وقوع آن پایین دست سرریز کنگره ای مثلثی بدون کف‌بند

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسندگان
1 کارشناس ارشد مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی دانشگاه زنجان
2 عضو هیت علمی و استادیار گروه مهندسی عمران دانشگاه زنجان
چکیده
یکی از مهمترین چالش‌های پیشروی طراحی سرریزها، تامین پایداری آنهاست که عمدتاً در طراحی فونداسیون این سازه­ها از میزان عمق آبشستگی تعادلی تحت جریان دائمی استفاده­ می­ شود در حالیکه سرریزهای کنگره‌ای در معرض جریانهای سیلابی قرار می­ گیرند و با توجه به محدود بودن زمان استمرار دبی پیک سیلاب آبشستگی پائین‌دست آنها به تعادل نمی رسد لذا استفاده از عمق آبشستگی‌تعادلی می­ تواند عمق فونداسیون مورد نیاز را دست بالا تخمین زند. بر همین اساس مقادیر عمق آبشستگی لحظه‌ای می­ تواند اطلاعات مفیدی جهت تخمین دقیق آبشستگی در اختیار طراحان قرار دهد. در این تحقیق به بررسی تغییرات عمق آبشستگی لحظه‌ای و محل وقوع آن پایین­ دست سرریز کنگره­ ای مثلثی پرداخته ‌شده‌است. آزمایشات برای سرریزهای کنگره‌ای با 6 زوایه مختلف کنگره 15 تا 90 درجه (خطی) در 7 حالت نسبت هدآب به ارتفاع سرریز 0.1 تا 0.7 انجام گرفته‌است که در تمامی حالات اقدام به برداشت داده­ های حداکثر عمق تعادلی آبشستگی و در 5 حالت نسبت هدآب به ارتفاع سرریز 0.1 تا 0.5 اقدام به برداشت تغییرات زمانی عمق آبشستگی لحظه‌ای و محل وقوع آن شده است. نتایج نشان می­ دهد به ازای مقادیر مختلف هد آب روی سرریز و زوایای کنگره مکانیزم و میزان آبشستگی متفاوت می­ باشد در حالیکه تغییرات زمانی عمق آبشستگی لحظه‌ای دارای روندی تقریباً مشابه می ­باشد. بطوریکه در کلیه آزمایشات نرخ آبشستگی در لحظات ابتدایی شدیدتر بوده و حدود 80 درصد توسعه عمق آبشستگی در 10 درصد ابتدایی آزمایش اتفاق می‌افتد. همچنین زمان تعادل عمق آبشستگی با افزایش5 برابری هد آب روی سرریز بطور متوسط زمان تعادل 6برابر و افزایش 6 برابری زاویه کنگره نیز منجر به کاهش حدود 45 درصدی زمان تعادل می­ شود. نتایج بررسی محل وقوع حداکثر عمق آبشستگی تعادلی نیز حاکی از آن است که در تمامی سرریزها با افزایش هد آب روی سرریز، محل وقوع حداکثر عمق آبشستگی، در راستای طولی کانال از مرکز سیکل­ها فاصله بیشتری می­ گیرد و با افزایش5 برابری هد آب روی سرریز فاصله محل وقوع تا 8 برابر افزایش می­ یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Experimental investigation of temporal variation and of scour depth at triangular labyrinth weir without apron

نویسندگان English

Mojtaba Morsali 1
ALI BABAKHANI 2
1 M.S. in Water and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, University of Zanjan
2 Assistant professor, Faculty of Civil Engineering, University of Zanjan,
چکیده English

Weirs are widely used in many different shapes to control a water level, facilitate flow diversion, and to regulate the flow of water. Given that the overflow zone is often laterally restricted, the overflow depths can become excessive. As a result, non-linear weirs e.g., Labyrinth with different forms have been developed to increase weir length and discharge capacity within a fixed overflow width. Accurate estimation of the maximum possible depth of scour at weirs is important in decision-making for the safe depth of burial of footings. The design of labyrinth weirs foundations based on equilibrium clear water scour depths may yield considerably greater values than if the flow is of short duration. For a known time-to-peak value of the design flood hydrograph, smaller scour depths may be obtained, which reduces the total cost of construction. Therefore, investigation of temporal variation of clear water scour at labyrinth weirs is important to estimate the possible extension of the scour hole. This would provide useful information for the safe design of footing and the selection of scouring counter-measure to be implemented. In the present study, temporal variation of scour and at labyrinth weirs was studied. In experiments, labyrinth weirs were used and seven head to weir height ratios ( H/p =0.1-0.7) for cycles with 6 different sidewall angles (150, 300,450, 67.50, Linear). In this study, the effect of Alfa and sidewall angles on temporal variation of scour depth and scour depth location were investigated. The results indicated that the mechanism and the value of scouring at weir varied for the different value head and sidewall angles. When head to height weir increased, the value of instantaneous scour depth significantly increased.

The results also showed that in all experiments, the scour rate is more severe in the early stages and 80% of the development of scour depth occurs in the early 10% of equilibrium time. Furthermore, When H/P increased 5 times, the equilibrium time of scour depth increased to 6, while whit increasing the sidewall angles to 6 times, equilibrium time decreased 45%.

کلیدواژه‌ها English

experimental
temporal variation
scour
weir
Labyrinth
Triangular
Without apron
[1] Gentilini, B., "Stramazzi con cresta a pianta obliqua e a zig-zag". Memorie e study dell‘Instituto di
Idraulica e Costruzioni Idrauliche del Regio Politecnico di Milano. 1941, No. 48. (in Italian).
[2] Kozak, M and J. Svab. "Tort alaprojzu' buko'k laboratoriumi vizsgalata", Hidrol'ogiai Kozlony, 1961, No. 5.
[2] Hay, N and Taylor, G., "Performance and design of labyrinth weirs". ASCE, J. Hydraul. Eng, 1970, 96(11), 2337-2357.
[3] Peter, R., Wormleaton, and Soufiani, E., "Aeration Performance of Triangular Platform Labyrinth Weirs" J. Envir. Engrg ASCE, V.124, No.8, 1998, pp.709-719.
[4] Bhuiyan, F., Hey, R.D and Wormleaton, P.R., "Hydraulic evaluation of w-weir for river restoration". ASCE, J. Hydraul. Eng, 2007, 133( 6): 596-609.
[5] Ghodsian, M., "Stage-discharge relationship for a triangular labyrinth spillway". Proc. Inst. Civ. Eng. Water Manage, 2009, 162(3):173–178
[6] Crookston, B.M and Tullis, B., "Hydraulic performance of labyrinth weirs". Proc. of the Int. Junior Researcher and Engineer Workshop on Hydraulic Structures (IJREWHS’10). Edinburgh, U.K, 2010.
[7] Crookston, B.M and Tullis, B.P., "Hydraulic characteristics of labyrinth weirs, Labyrinth and Piano Key weirs (PKW)", 2011, 25-32.
[8] Crookston, B.M., Tullis, B.P., "Discharge Efficiency of Reservoir-Application-Specific Labyrinth Weirs", American Society of Civil Engineering, Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 138(6), 564-568.
[9] Crookston, B.M., Tullis, B.P., "Arced Labyrinth Weirs. American Society of Civil Engineering", Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 138(6): 555-562.
[10] Scurlock, S.M., Thornton, L.C and Abt, S.R., "Equilibrium scour downstream of three-dimensional grade control structures". J. Hydraul. Eng, 2012, 138(2): 167-176.
[11] Melville, B.W. and S.Y. Lim., "Scour caused by 2D horizontal jets". J. Hydraul. Eng, 2013, 140(2): 149-155.
[12] Elnikhely, E.A., "Minimizing scour downstream of spillways using curved vertical sill", Nineteenth International Water Technology Conference, 2016.
[13] Jüstrich, S., Pfister, M. and Schleiss, A.J. “Mobile riverbed scour downstream of a Piano Key weir”. J. Hydraul. Eng, 2016, 142(11), 40-46 .
[14] Mosalman Yazdi, A., Hoseini, A., Nazari, S. and Amanian, N., “Effects of weir geometry on scour development in the downstream of Piano Key Weirs” Water Supply, IWA Publishing, 2020.
[15] Kumar, B., Ahmad, Z., “Experimental Study on Scour Downstream of a Piano Key Weir with Nose” 8th IAHR ISHS, Santiago, Chile, 2020.
[16] Babakhani A, Morsali M. Investigation on the effect of different parameters on maximum scour depth at triangular labyrinth weir without apron.. 2020; 20 (1).
[17] Bormann, N. E., and Julien, P. Y. “Scour downstream of grade control structures.” J. Hydraul. Eng., 1991, 117(5), 579–594.
[18] Guan, D., Melville, B. W., and Friedrich, H. “Flow patterns and turbulence structures in a scour hole downstream of a submerged weir.” J. Hydraul. Eng., 2014, 68–76.
[19] Wang, L., B. W. Melville, D. Guan, and C. N. Whittaker. 2018b. “Local scour at downstream sloped submerged weirs.” J. Hydraul. Eng.144 (8): 04018044.

[20] Morsali M. “Investigation on scour downstream of triangular labyrinth weir”. M.Sc. thesis. 2019. University of Zanjan, Zanjan, Iran.
[21] Taylor, G. “The performance of labyrinths weirs.” PhD thesis. 1968. University of Nottingham, Nottingham,United Kingdom.
[22] Falvey, H.T. “Hydraulic Design of Labyrinth Weirs.” 2003. ASCE Press, Reston, VA, United States.