طراحی صفحات مستغرق
تهیه کننده: دکتر بهزاد زراعت
صفحات مستغرق به منظور تغییر الگوی جریان در قوس رودخانه و تغییر در توزیع سرعت جریان وتنش برشی بستر و در نتیجه کاهش فرسایش ساحل در محل قوس بیرونی ارائه شده است.
اولین مطالعات آزمایشگاهی و نیز مطالعات تکمیلی تا معرفی آن در دانشگاه آیوا انجام شده است.
Kennedy & Odgaard(1983), Odgaard and Spolajric(1986), ….Odgaard and Wang(1991a, 1991b)
از این رو به ”Iowa Vane“ هم معروف است.
. صفحات مستغرق سازه هایی هستند که از جنس فلز، چوب یا بتن ساخته میشوند و بسته به زاویهی قرارگیری و الگوی جریان، با ایجاد گرداب ثانویه در جریان اطراف خود باعث تغییر در مقدار و جهت تنش برشی و الگوی توزیع جریان و به تبع آن تغییر روند انتقال رسوب می شوند. به علت اختلاف فشار موجود در دو طرف صفحه، جریان از سمت پر فشار به طرف بالای آن و از سمت کم فشار به طرف پایین آن حرکت مینماید و در نتیجه گرداب و گردش القایی در اطراف پره بوجود میآید
کاربرد صفحات مستغرق در رودخانه کرخه
دراسلایدهای زیر اجرای صفحات مستغرق در رودخانه کرخه را مشاهده خواهید کرد.
مراحل طراحی به منظور حفاظت ساحل
معیار های طراحی:
-صفحات باید بتوانند سرعت جریان در نزدیک ساحل را به کمتر از سرعت بحرانی مصالح ساحل کاهش دهند
– دبی لب ریز بعنوان دبی طراحی منظور شود
– عملکرد بهینه صفحه در شرایطی است که نسبت ارتفاع صفحه به عمق آب در دبی طراحی کمتراز 48/0 و بزرگتر از 12/0 باشد(عمق آب حدود دو تا هشت برابر ارتفاع صفحه).
-نحوه قرارگیری صفحات باید طوری باشد که باعث انتقال رسوب به سمت ساحل و رسوبگذاری شود
-ابعاد صفحات، فاصله قرارگیری ، تعداد صفحات باید بهینه باشد
– نتایج بدست آمده از آزمایش های میدانی نشان می دهد که برای ایجاد و نگهداری بستر تقریباً یکنواخت در محدوده صفحات، زاویه برخورد صفحات نباید بیشتر از 20 تا 25 درجه باشد. هرچه مصالح بستر ریزدانه تر باشند، اندازه زاویه باید کوچکتر انتخاب شود.
تعیین متغییرهای جریان
A – عرض متوسط رودخانه در بازه مورد نظر b
B- عمق متوسط جریان در بازه مورد نظر d0
C – سرعت متوسط جریان u0
D – شیب طولی S
E – شعاع محور مرکزی rc
F – اندازه متوسط مصالح رسوبی کف D
G – تغییرات عمق در عرض رودخانه
H – تغییرات عرضی سرعت جریان
I – حداکثر عمق جریان بدون صفحات
a – در کانال مستقیم dm=d0
b – در خم های رودخانه dm = برابر عمق آب در محل قوس خارجی
J – عمق جریان مورد انتظار پس از نصب صفحات
K – حداکثر سرعت جریان قبل از نصب صفحات
L – سرعت مورد انتظار پس از نصب صفحات
برای شرایط طراحی جریان که در قدم قبلی ارائه شد، مطلوب است محاسبه:
– ضریب اصطکاک
عدد فرود رسوب
نسبت عرض به عمق d0/b
نسبت عرض به شعاع قوس b/rc
حداکثر تغییرات عمق جریان که باید به آن رسید (dm-dv)
حداکثر تغییرات سرعت جریان که باید به آن رسید
ابعاد صفحات را به شرح زیر انتخاب کنید
A – ارتفاع صفحات H (براساس معیار 0.12<H/dv<0.48)
B – طول صفحه L (براساس معیار )
C – زاویه برخورد صفحه با خطوط جریان ،
D – میزان استغراق صفحه T
پارامترهای زیر را محاسبه کنید
نسبت استغراق صفحه به عمق جریان T/d0
نسبت ارتفاع صفحه به طول صفحه (H/L
با بکار بردن منحنی مربوطه، تعداد صفحات در هر ردیف و فاصله طولی بین صفحات ( ) را طوری تعیین کنید تا بتوان حداکثر تغییرات عمق جریان قابل انتظار را ایجاد کرد. توجه شود که برای حصول به این هدف غالباً با ترکیبات مختلفی از تعداد صفحات و فاصله طولی امکان پذیر است. چنانچه ضرورت داشت می توان معادلات 2-22 و 2-23 را با شرایط مرزی مختلفی حل کرد.
7- با انتخاب مقادیر دیگری برای مشخصات صفحه (مثلاً زوایای برخورد مختلف) و بکار بردن منحنی های مربوطه یا انجام محاسبات عددی لازم، آرایش های مختلفی را می توان بدست آورد.
در نهایت تحلیل پایداری کانال را انجام دهید و یا اثر سیستم صفحات بر شیب طولی سطح آب را تخمین بزنید. این کار از این نظر بسیار با اهمیت است که سیستم صفحات مستغرق نباید بر شرایط کانال بالادست و پایین دست تاثیر بگذارد. ترجیحاً سیستم صفحات باید ضمن پایداری بیشتر کانال به محیط زیست رودخانه نیز کمک کند.
مثال
قرار است برای پایدار کردن ساحل فرسایشی رودخانه ای سیستم صفحات مستغرق طراحی گردد. ساحل فرسایشی در قوس خارجی رودخانه قرار دارد. در جریان طراحی عرض متوسط، عمق متوسط و شیب طول به ترتیب عبارتند از b=100 m ، d0=4 m و S=0.0009 . دبی طراحی برابر 760 مترمکعب در ثانیه است. شعاع مرکزی قوس برابر rc=800m است. مصالح رسوبی کف رودخانه از نوع ماسه با اندازه متوسط 6/0=D میلیمتر است. (در عمل بهتر است شرایط دیگری از جریان نیز در نظر گرفته شود). شکل 1-12 به طور شماتیک وضعیت جریان را نشان می دهد. هدف از طرح و متغیرهای مربوطه درقسمت 2-3-1 ارائه شده است.
طرح اولیه شامل تعیین مقادیر قابل قبول مشخصات صفحات نظیر ارتفاع H ، طول L، زاویه برخورد ، فاصله عمودی از سطح آب تا بالای صفحات T ، فواصل عرضی و طولی و نیز فاصله صفحه تا ساحل رودخانه می باشد
سرعت متوسط جریان در شرایط جریان طراحی برابر است با:
پارامتر مقاومت کانال یا m برابر است با
مقدار فوق متناسب با ضریب دارسی و ایباخ و ضریب مانینگ n=0.040 می باشد.
عدد فرود رسوب برابر است با:
و نسبت عرض به شعاع مرکزی قوس برابر است با
عمق آبشستگی در قوس خارجی در دبی طراحی با بکار بردن معادله 2-28 و اختیار کردن c=1.0 برابر است با:
و یا :
سیستم صفحات مستغرق می توان طوری طراحی کرد تا ضمن جلوگیری از فرسایش بستر دو محل قوس خارجی، مقدار عمق جریان را در طول قوس برابر یا کمتر از عمق متوسط جریان d0 حفظ کند.
این بدان معنی است که سیستم صفحات باید در شرایط جریان طراحی، باعث کاهش عمق جریان در محل قوس خارجی به اندازه:
dm-dv=dm-d0=7.6-4.0=3.6 m
نسبت عمق به عرض کانال برابر است با:
که این پارامتر به علت کوچک بودن در طراحی صفحات تاثیرگذار نیست.
با تشکر از
همراهی صمیمانه شما