بررسی آزمایشگاهی اثرات اندازه دانه و عدد رینولدز مرزی در عدد جابجایی و عدد پایداری در مقابل زبری نسبی بر آستانه حرکت در بارهای بستر رودخانه ها
محورهای موضوعی : مدیریت منابع آبعلیرضا زمانی نوری 1 , جلال سلطانی پریشان 2 , حسین حسن پور درویشی 3
1 - دانشیار ، گروه مهندسی عمران ، واحد شهر قدس ، دانشگاه آزاد اسلامی ، تهران ، ایران
2 - گروه مهندسي عمران، واحد شهرقدس، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ايران.
3 - گروه مهندسي عمران، واحد شهرقدس، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ايران.
کلید واژه: آستانه حرکت, عدد جابجايي, قطر بدون بعد دانه, عدد پايداري ذره, پارامتر زبري نسبي,
چکیده مقاله :
زمينه و هدف: آبگذري در سازههاي انتقال آب بدليل وجود رسوبات معلق در آب باعث کاهش سطح مقطع جريان و همچنين افزايش زبري ميشود که در نتيجه کاهش آبدهي سازه را بدنبال خواهد داشت. رودخانههاي کشورمان در مقايسه با رودخانههاي جهان رسوب بالايي را با خود حمل ميکنند. اين امر نشان دهنده شدت فرسايش و وضعيت نامناسب منابع طبيعي، فشار بيش از حد به مراتع، تخريب اراضي جنگلي و بهرهبرداري نامناسب از اراضي کشاورزي ميباشد.
روش پژوهش: يکي از مسائل مهمي که در هيدروليک رودخانه نقش اساسي دارد موضوع پيش بيني شرايط آستانه و حرکت اوليه ذرات بستر رودخانه ميباشد. بطور کلي لحظهاي را که ذرات شروع به حرکت ميکنند اصطلاحاً آستانه حرکت مينامند که معمولاً به صورت مشاهده عيني صورت ميپذيرد و با توجه به اينکه شرايط آب زلال براي مشاهده حرکت ذرات مناسبتر است، لذا اکثر محققين آستانه حرکت را در شرايط آب زلال بررسي نمودهاند حال نظر به اينکه در طبيعت، آب رودخانهها همراه خود رسوبات را نيز انتقال ميدهند تاکنون تحقيقي در زمينه تاثير غلظت رسوب معلق در آستانه حرکت به صورت آزمايشگاهي بدليل رويت نامناسب حرکت ذرات و سختيهاي اجرايي نشده است، لذا در اين مقاله در ابتدا موارد صورت گرفته در محيط آزمايشگاه بر روي 5 نمونه دانهبندي شرح داده شده و در مورد آستانه حرکت ذرات رسوبات غير چسبنده در بستر رودخانه در دو حالت آب زلال و بار معلق و مقايسه اين دو حالت در شرايط آزمايشگاهي پرداخته شد و سپس با نتايج کسب شده نسبت به انجام محاسبات قطر بدون بعد دانه، عدد قابليت حرکت، سرعت برشي بحراني، عدد پايداري ذره، عدد رينولدز مرزي، پارامتر زبري نسبي و سرعت ته نشيني اقدام نموده و نسبت به مقايسه نموداري با روابط و نتايج ديگر محققين در نمودار و همچنين تطبيق دادهها بر روي منحني‌هاي آستانه ارائه شده (روشهاي جايگزين) پرداخته شد.
يافته‌ها: نتايج ذرات در بازه 5/0 تا 15 ميليمتر نشان مي‌دهد که عدد پايداري در بازه 7/1 تا 8/2 تغييرات دارد. نتايج آزمايشات نشان داده است که شرايط آستانه حرکت در رسوبات بستر نه تنها به اندازه ذرات و رسوبات وابسته بوده بلکه به غلظت آب هم ارتباط دارد. استفاده از عدد قابليت حرکت به عنوان يک تابعي از ، مزيتهاي مشخصي نسبت به تابع حرکت شيلدز ( ) دارد و با افزايش زبري نسبي يک روند کاهشي در پايداري ذره حاصل ميگردد.
نتيجه‌گيري: هر چقدر مقدار بار معلق افزايش يابد منجر ميشود که تنش برشي بحراني جريان در آستانه حرکت ذره افزايش يابد. لذا بزرگتر بودن تنش برشي درحالت بار معلق نسبت به تنش برشي آب زلال، منجر به مشاهده زودتر حرکت ذرات بستر در حالت بار معلق خواهد شد. با افزايش بار معلق در هر مقطع از رودخانه، اثرات تخريبي و آوردهاي رسوبي در بالا دست افزايش مييابد.
Background and Aim: The presence of suspended sediments in water crossings of water transfer structures leads to a reduction in the flow cross-section and an increase in roughness, which consequently results in decreased discharge of the structure. The rivers in our country carry a higher sediment load compared to rivers around the world. This indicates the severity of erosion, the poor condition of natural resources, excessive pressure on pastures, destruction of forest lands, and inappropriate exploitation of agricultural lands.
Method: One of the important issues that play a fundamental role in river hydraulics is the prediction of threshold conditions and the initial movement of riverbed particles. In general, the moment when particles start to move is referred to as the threshold of movement, which is usually observed visually. Given that clear water conditions are more suitable for observing particle movement, most researchers have studied the threshold of movement under clear water conditions. However, considering that in nature, river water always transports sediments as well, there has not yet been any laboratory research on the effect of suspended sediment concentration on the threshold of movement due to the difficulties in observing particle movement and the challenges in conducting experiments. So, in this article the experiments conducted in the laboratory on five different grain size samples are initially described. The focus became on the threshold of particle movement in non-cohesive sediments in riverbeds under two conditions: clear water and suspended load. A comparison of these two conditions bacame made in a laboratory setting. Subsequently, calculations are performed based on the obtained results, including the dimensionless particle diameter, mobility number, critical shear velocity, particle stability number, boundary Reynolds number, relative roughness parameter, and settling velocity and compared to the comparison of the diagram with the relationships and results of other researchers in the diagram, as well as comparing the data on the provided threshold curves (alternative methods).
Results: Meanwhile, the results of particles in the range of 0.5 to 15 mm show that the stability number changes in the range of 1.7 to 2.8. The results of the experiments have shown that the conditions of the movement threshold in bed sediments are not only dependent on the size of particles and sediments, but also related to the water. Using the mobility number as a function of ، has certain advantages over Shields mobility function ( ) and with the increase of relative roughness, a decreasing trend in particle stability is obtained.
Conclusion: As much as the amount of suspended load increases, the critical shear stress of the flow at the threshold of particle movement increases. Therefore, the greater shear stress in the state of suspended load compared to the shear stress of clear water will lead to earlier observation of the movement of bed particles in the state of suspended load. With the increase of the suspended load in each section of the river, the destructive effects and sedimentation increases in the upstream.
1. ali, s. s. (2012). Threshold of sediment settling in channels with fixed wall. Iran hydraulics, the tenth. Gilan University.
2. askari, s. t. (2014). Investigation and comparison of suspended sediment load of Siahroud and Talar rivers in Mazandaran province. International Conference on Civil Engineering, Architecture and Sustainable Urban Development.
3. Beheshti, A., & Ataie Ashtiani, B. (2008, january 03). Analysis of threshold and incipient conditions for sediment movemnt.
4. Bonnefille, R. (1963). Essais de synthese des lois de debut d entriianment des sediment sous I action d un courant en regime uniform. chatou.
5. Cao, Z., Pender, G., & Meng, J. (2006). Explicit formulation of the shields diagram for incipient motion of sediment. Hydraul.
6. Collins, M., & Rigler, J. (1982). The use f settling velocity in defining the inition of motion of heavy mineral grains.
7. Das, B. M. (2002). Principles of soil engineering - soil mechanics. (H. Saleh Zadeh, Tehran: Iran University of Science and Technology.
8. Deputy of ABFA. (2010). Guide to the geometrical shape of the cross-section and direction of the river, publication 366-A. Tehran.
9. Haffman, G., & Verhiej, H. (1997). Scouar manual. Rotterdam.
10. Hamm, L., & Migniot, C. (1993). Elements of cohesive sediment deposition consolidation and erosin. London.
11. Ippen , A., & Verma, R. (1953). The moation of discrete particles along the bed of a turbulent stream.
12. Jilani, D. A. (2012). Advanced hydraulics. Islamic Azad University, Islamshahr branch. Islamshahr.
13. Khazimeh nejad, D. (2008, september 15-13). Examining and comparing existing relationships in the context of movement threshold conditions. The 6th Iranian Hydraulic Conference.
14. Krishnamurthy, M. (1983). Incipient motion of cohesive soils. New York.
15. Liu, H. (1958). Mechanics of sediment riple formation. Hydraul.
16. magdalen m, m. (2018). laboratory studies on bedload transport under unsteady flow conditions . journal of hydrology and hydiomechanics.
17. Marwan A, H. (2020). Expeirimentaal insights into the threshold of motion inn Alluvial channel: sediment suply and streambed state. JGR Earth Surfaace.
18. May, R., Achers, C., Butler, D., & John, S. (1996). Development of design methodology for self-cleansing.
19. Nalluri, C. (1998). Suspended sediment transport in rigid bondary channel at limit deposition.
20. Novak, P., & Nalluri, C. (1975, september). Sediment transport in smooth fixed bed channels. Hydraulics Div, ASCE 101.
21. Paphitis, D. (2001). sediment movement under unidirectional flows.
22. Partheniathes, E. (1965). Erosin and deposition of cohesive soils. hydraulic division.
23. Raudkivi, A. (1998). Loose boundray hydraulic. Rotterdam.
24. Samadi Boroujeni, H., Naderi Boldaji, M., & Fatahi Nafchi, R. (2010). Investigating the sedimentation threshold. Iranian water research.
25. shefaei Bejestan, D. (2014). Theoretical and practical hydraulic principles of sediment transport. در D. hafouri, & D. Savaedi. Ahvaz: Shahid Chamran University of Ahvaz.
26. Van Rijn, L. (1993). Principles of sediment transport in Rivers. Amesterdam: Aqua.
27. Vice President of Strategic Supervision, E. t. (2011). Guide to calculation methods of washing water - publication 549.
28. Vojdani, N., & Ghomshi, M. (2006, Appril 14-12). Critical shear stress of cohesive sediment erosion and its role in the design of open channels. National Conference on Management of Irrigation and Drainage Networks.
29. Yang, C. (1996). Sediment Transport, Theory and Prractice. China.