ارزیابی آزمایشگاهی پروفیل طولی و عرضی آبشستگی در بستر کانال با قوس 180 درجه: کاربرد آبشکن مثلثی نفوذپذیر

محورهای موضوعی : مدیریت آب در مزرعه با هدف بهبود شاخص های مدیریتی آبیاری

محمدرضا کلامی زاده ¹ , امیرعباس کمان بدست ² , علیرضا مسجدی ³ , محمود شفاعی بجستان ⁴ , هوشنگ حسونی زاده ⁵

1 - دانشجوی دکتری، گروه علوم و مهندسی آب، پردیس علوم و تحقیقات خوزستان، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران
2 - استادیار، گروه علوم و مهندسی آب، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.
3 - دانشیار، گروه علوم و مهندسی آب، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.
4 - گروه سازه‌های آبی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.
5 - عضو کمیته تحقیقات، سازمان آب و برق خوزستان، اهواز، ایران.

تاریخ دریافت : 1398/08/05 تاریخ پذیرش : 1400/06/29 تاریخ انتشار : 1401/07/01

کلید واژه: چاله آبشستگی, فرسایش, رسوب‌گذاری, ساحل خارجی, هیدرولیک,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: یکی از روش‌های جدید جهت کنترل فرسایش در ساحل خارجی قوس رودخانه‌ها استفاده از صفحات متصل به ساحل می‌باشد. صفحات متصل به ساحل از جمله سازه‌های زیست‌محیطی هستند که برای کنترل فرسایش سواحل، انحراف جریان از سواحل به طرف مرکز مجرا، بهتر شدن وضعیت انتقال رسوب، توسعه رودخانه جهت قایقرانی، ترمیم و توسعه زیستگاه آبزیان رودخانه استفاده می‌شوند. علیرغم مزایای فراوان صفحات متصل به ساحل اما اطلاعات دقیقی در رابطه با وضعیت فرسایش و رسوب‌گذاری و الگوی جریان در اطراف آنها تحت شرایط هیدرولیکی و هندسی مختلف وجود ندارد و تحقیقات بسیار اندکی صورت گرفته است. در تحقیق حاضر تأثیر سناریوهای مختلف نصب آب‌شکن‌های نفوذپذیر مثلثی بر تغییرات پروفیل طولی و عرضی رسوب بستر در کانال آزمایشگاهی با قوس 180 درجه ارزیابی شده است.روش پژوهش: در این تحقیق هدف اصلی بررسی الگوی رسوب‌گذاری و فرسایش در قوس رودخانه ها با استفاده از صفحات مثلثی متصل به ساحل می باشد؛ که در این راستا در مورد تأثیر فاصله بین صفحات مثلثی و طول مؤثر صفحات مثلثی و نیز عدد فرود جریان بر کنترل فرسایش دیواره خارجی قوس 180 درجه تمرکز شده است. آزمایش‌ها در یک فلوم آزمایشگاهی با قوس 180 درجه ملایم با نسبت و مقطع عرضی مستطیلی به عرض 0.6 متر انجام می‌پذیرد. زاویه نصب صفحات مثلثی ثابت برابر با 60 درجه نسبت به ساحل بالادست، ارتفاع صفحات مثلثی نفوذپذیر از سطح رسوب ثابت برابر 10cm و نفوذپذیری صفحات مثلثی ثابت برابر 12 درصد در نظر گرفته شد. آزمایش-ها در حالت آب زلال انجام شد. طول مؤثر صفحات تهیه شده برابر با W/L=5، W/L=4 و W/L=3 (W= عرض مقطع جریان برابر 60 سانتیمتر ، L= طول مؤثر به ترتیب برابر 12 و 15 و 20 سانتیمتر) و با فواصل نصب برابر با D/L=5 ( D= فواصل نصب به ترتیب 60، 75 و 100 سانتیمتر برای 3 طول مؤثر) در نظر گرفته شد و در دو دبی ورودی مختلف اجرا گردید.یافته‌ها: بررسی تأثیر تغییرات فاصله قرارگیری صفحات مثلثی نفوذپذیر بر توپوگرافی بستر نشان می‌دهد در هر عدد فرود با افزایش فاصله صفحات از یکدیگر، حداکثر عمق آبشستگی افزایش می‌یابد، نتایج مطالعه نشان می دهد استفاده از صفحات مثلثی نفوذپذیر باعث انحراف جریان از قوس بیرونی به‌طرف مرکز و سپس قوس داخلی فلوم خواهد شد که این مزیت در عمل باعث کنترل فرسایش در قوس بیرونی رودخانه ها می‌شود. با افزایش دبی جریان ورودی و افزایش طول مؤثر صفحات مثلثی (طول عمود بر جریان) و فاصله صفحات مثلثی از یکدیگر در قوس 180 درجه، حداکثر عمق آبشستگی و حجم آبشستگی افزایش پیدا کرده است، نصب صفحات مثلثی با طول مؤثر برابر و فاصله صفحات مثلثی برابر 5L، باعث انحراف جریان از ساحل بیرونی به‌طرف دماغه صفحات و میانه فلوم و در نتیجه تنش برشی بستر در میانه فلوم کاهش می یابد و این امر سبب کاهش حداکثر عمق آبشستگی کانال فرسایشی و ایجاد خط‌القعر در دماغه صفحات خواهد شد.نتایج: نتایج نشان داد که با نصب آب‌شکن، تپه‌های رسوبی در حدفاصل بین آن‌ها ایجاد می‌شوند. بنابراین در طول مؤثر برابر با W/L=5 معادل 12 سانتیمتر حداکثر ارتفاع تپه رسوبی در دیواره خارجی برابر با 30 و 31 درصد عمق آب، به ترتیب بین زاویه‌های صفر تا 170 درجه و 7/68 تا 115 درجه معادل 11 برابر و 3 برابر فاصله بین صفحات به ترتیب برای دبی‌های 5/13 و 5/15 لیتر بر ثانیه بوده است. همچنین برای شرایط ذکر شده عرض تپه رسوبی در دیواره خارجی به ترتیب به 85 و 75 درصد طول مؤثر صفحات رسید. آبشکن‫های مثلثی نفوذپذیر شش پایه برای رودخانه‫های مئاندری مانند کارون و در قوس 90 و 180 درجه توصیه می‫شوند. این رودخانه‫ها دارای پیچش و انحنای زیاد و همچنین عمق جریان زیاد و سرعت جریان در آنها کم که حاوی رسوبات معلق زیاد می‫باشند و شیب این نوع رودخانه‌ها 001/0 یا کمتر بوده و به‌واسطه شیب کم پتانسیل حمل رسوب آنها کم و بار رسوبی عمدتاً ریزدانه دارند.

چکیده انگلیسی:

Background and Objectives: One of the new methods for controlling erosion on the outer bank of river curve is the use of plates connected to the riverbank. Coastal vanes are the environmental structures which are used to control bank erosion, divert flow from bank to river center, improve sediment transport status, develop river for sailing, restorate and develop river's aquatic habitat. Despite the many advantages of coastal vanes, there is no detailed information about erosion and sedimentation and flow patterns around them under different hydraulic and geometric conditions and fewer research have been done. In the present study, the effect of different installation scenarios of triangular permeable vanes on bed sediment longitudinal and transverse profile changes in a laboratory channel with a 180-degree bend is evaluated.Methods: In this research, the main purpose is to investigate sedimentation and erosion patterns in the rivers’ bend using coastal triangular vanes; in this regard, the impact of distance between triangular vanes, their effective length, and Froud number on the erosion control of the outer bank of the 180 degree bend is focused. Experiments in a laboratory flume with a mild 180-degree bend with a  ratio and a rectangular cross section with a width of 0.6 meters is done. The angle of fixed triangular vanes is 60 degrees, the height of the permeable triangular vanes from the sediment surface is 10cm and the permeability of the triangular vanes is 12%. The experiments were carried out with limpid water mode. The effective lengths of the prepared vanes were 12, 15 and 20 cm with installation intervals of 60, 75 and 100 cm respectively and were run at two different inlet discharges.Results: Investigating the effect of the distance between permeable triangular vanes on bed topography shows that in each Froud number, with increasing the distance of vanes from each other, the maximum scour depth will be increased. The results demonstrate the use of permeable triangular vanes causes the flow deviation from the outer bank to the center and then the inner bank of the flume, which leads to control the erosion in the river outer bank. By increasing the inlet flow discharge and increasing the effective length of triangular vanes and the distance of triangular vanes from each other in a 180-degree bend, the maximum scour depth and volume are increased. The installation of triangular vanes with an effective length of  and a distance of 5L causes the flow deviation from the outer bank to the vanes cape and the middle of the flume, consequently results in a decrease in the shear stress in the middle of the flume and scour depth of the erosion channel and creates thalweg in the vanes cape.Conclusion: The results illustrate that by installing the triangular vanes, the point-bars are created in the interval between them. Therefore, during the effective length of 12cm, the maximum height of the point-bar on the outer bank equals to 30 and 31% of water depth, between the 0 to 170 degrees and 68.7 to 115 degrees equal to 11 times and 3 times the distance between the vanes, for discharge values of 13.5 and 15.5 l/sec, respectively. Also, for the mentioned conditions the width of the point-bar on the outer bank reaches  85% and 75% of vanes’ effective length , respectively. Permeable triangular vanes with six pillars are recommended for meandering rivers like  Karun in 90 and 180-degree arcs. These rivers have high torsion and curvature as well as high flow depth and low flow velocity in them, which contain high suspended sediments and the slope of this type of rivers is 0.001 or less and due to the low slope, their sediment carrying potential. Sediment loads are mostly fine.

منابع و مأخذ:

Ettema, R. 1980. Scour at Bridge Piers. Report No 216, University of Auckland, School of Engineering.

Melville, B.W. 1997. Pier and abutment scour: Integrated approach. Journal of Hydraulic Engineering. 123(2): 125-136.

Jung, J.W. Yoon, S.E. 1998. An experimental study on the characteristics of flow and bed topography with changing bed material in a curved channel. J KWRA. 31(3): 291-301.

Zhang, H., Nakagawa, H., Ogura, M. and Mizutani, H. 2013. Experiment Study on Channel Bed Characteristics around Spur Dykes of Different Shapes. International Journal of Sediment Research. 28: 489-499.

Liu, X., Zhou, Q., Huang, S., Guo, Y., and Liu, C. 2018. Estimation of flow direction in meandering compound channels. Journal of Hydrology. 556: 143-153.

Ghodsian, M. and Vaghefi, M. 2009. Experimental study on scour and flow field in a scour hole around a T-shape spur dike in a 90° bend. International Journal of Sediment Research. 24(2): 145-158. [In Persian]

Shafai Bejestan, M. 2009. Transport Sediment of Hydraulics of Practice and Throry Basic. University Chamran Ahvaz, 549 p. [In Persian]

Kalamizadeh, M.R.2009. Experimental Investigation of Distance of Submerged Vannes on The Local Scour in a 90 Degree Converge Bend. Master’s Thesis. Islamic Azad University, Science and Research Branch, Khouzestan. [in Persian]

Najiabhari, M., Ghodsian, M., Vaghefi, M., and Panahpur, N. 2010. Experimental and Numerical Simulation of Flow in a 90 degree Bend, Flow Measurement and Instrumentation. 21: 292-298. [in Persian]

Abbasi, A.A., Malek Nejad, M. 2014. Experimental Investigation on The Effect of Length, Space and Shape of Gabion Groynes on Local Scouring Depth. Journal of Water and Soil Protection Research. 21(4): 231-246. [In Persian]

Bahrami Yarahmadi, M.2014. Experimental Study of The Combined Bank Attached-Vane and Footing on Bed Topography Variations in a 90 Degree Bend. PhD Thesis. Shahid Chamran University of Ahvaz. [in Persian]

Shaker, E., Kashefipour, S.M. 2015. Experimental Investigation on the Effect of Length and Angle of Groynes on Velocity and Shear Stress Distribution in a 90 Degree Bend. Irrigation Science and Engineering. 38(3): 1-12. [In Persian]

Shojaeian, z. Kashefipour, S.M., Mosavi Jahromi, S, M.2015. Experimental Study of Effect of Permeability Percentage of Bandal Like Spur Dike on Maximum Depth of Scour Hole. Water and Soil Science Journal. 25(3): 1-11. [In Persian]

Alizadeh Armaki, H., Ghodsian, M., Vaghefi, M., Khosravi, M. 2015. Experimental Investigation of Flow and Scour Pattern Around Submerged Attracting and Repelling T head Spur Dike. Madras Civil Engineering Quarterly. 15(2): 137-148. [in Persian]

Shahabi, M. Kashefipour, S, M. 2016. Experimental Investigation of The Effect of The Permeable Spur Dikes on Scour Hole Dimensions in a Mild 90 Degree Bend. Irrigation Science and Engineering. 39(4): 13-22. [In Persian]

Zolghadr, M., Shafai-Bejestan, M., Rezaeianzadeh, M. 2016. Topographic State of the Rectangular Bridge Abutments in Different Flow Conditions in The Presence of Six-Legged Elements. Conference on Materials and Modern Structures in Civil Engineering Sciences. [in Persian]

Mehraein, M. 2018. Flowfield Investigation around Straight and T-Shaped Spur Dikes Using Spectral Analysis and Stochastic Parameters. Journal of Civil Engineering and Environment. 48(3): 75-86. [In Persian]