بررسی آزمایشگاهی آبشستگی پایین‌دست سرریز کلید پیانویی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه بوعلی سینا – دانشکده کشاورزی– گروه مهندسی آب

2 دانش آموخته کارشناسی ارشد رشته سازه های آبی دانشگاه بوعلی سینا همدان

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: ﺳﺮرﻳﺰﻫﺎ سازه های ﻫﻴﺪروﻟﻴﻜﻲ ساده و ﭘﺮﻛﺎرﺑﺮد در انتقال آب و ﺳﻴﺴﺘﻢﻫﺎی آﺑﻴﺎری و زهکشی ﻫﺴﺘﻨﺪ. در ﺳﺪﻫﺎ ﺑﺮای ﻋﺒﻮر آب اﺿﺎﻓﻲ ﻧﺎﺷﻲ از ﺳﻴﻼب و ﻛﻨﺘﺮل ﺳﻄﺢ آب ﻣﺨﺰن و همچنین در ﻛﺎﻧﺎلﻫﺎی آﺑﻴﺎری و زﻫﻜﺸﻲ ﺟﻬﺖ ﺗﻨﻈﻴﻢ ﺳﻄﺢ آب و اﻧﺪازه‌گیری دبی جریان اﺳﺘﻔﺎده می‌شوند. سرریزهای کلید پیانویی شکل جدیدی از سرریزهای با تاج طولانی هستند که ﺳﺎﺧﺘﺎری ﺑﻪ ﻧﺴﺒﺖ ﺳﺎده، ﺳﺎزه‌ای اﻗﺘﺼﺎدی با راندمان بالا می باشند. ﺑﻪ دﻟﻴﻞ ﻣﺰﻳﺖﻫﺎی اﻳﻦ ﺳﺮرﻳﺰ ﻟﺰوم ﻣﻄﺎﻟﻌﻪ و ﺗﺤﻘﻴﻖ روی آبشستگی پایین‌دست اﻳﻦ ﺳﺮرﻳﺰ اﺣﺴﺎس ﻣﻲﺷﻮد. آبشستگی در مجاورت سازه می‌تواند تاثیر مستقیمی بر پایداری سازه داشته باشد. به همین دلیل، پیش‌بینی شکل و ابعاد حفره آبشستگی در پایین‌دست این سازه‌ها مورد توجه محققین بوده است. در این تحقیق آبشستگی پایین‌دست سرریز کلید پیانویی مورد مطالعه قرارگرفته است.
مواد و روش‌ها: برای مطالعه آبشستگی در پایین دست سرریزهای کلید پیانویی، از دو مدل فیزیکی با 5 و 9 کلید از این نوع سرریز برای انجام آزمایش‌هایی تحت شرایط هیدرولیکی مختلف استفاده شده است. آزمایش‌ها در فلومی به طول 10 متر و عرض و ارتفاع 50 سانتی‌متر انجام شده است. همچنین برای مقایسه میزان آبشستگی در سرریزهای کلید پیانویی نسبت به سرریزهای خطی، آبشستگی پایین‌دست یک مدل سرریز لبه‌تیز با ارتفاع سانتی‌متر20 و عرض 50 سانتی‌متر به ازای شرایط هیدرولیکی متناظر با سرریزهای کلید پیانویی نیز مطالعه شده است. بعد از برقراری تعادل، میزان آبشستگی در پایین دست این سرریزها مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده ار عمق سنج نقطه ای با دقت یک میلیمتر که در بالای کانال نصب شده، ابعاد چاله فرسایشی اندازه گیری شده است. بررسی تاثیر عدد فرود ذره بر روی میزان حداکثر عمق آبشستگی و محل وقوع آن مورد مطالعه قرار گرفته است.
یافته‌ها: نتایج نشان می‌دهد که در سرریزهای کلید پیانویی با افزایش طول موثر سرریز، عمق آب روی سرریز کاهش یافته و با کاهش سرعت برخورد جریان با بستر پایین دست سرریز مقدار عمق آبشستگی نیز کاهش می یابد. پروفیل آبشستگی در عرض کانال متغیر و به صورت سه‌بعدی می‌باشد. نرخ افزایش عمق حفره وابسته به تعداد کلیدهای سرریز نیز می‌باشد، یعنی به ازای یک عدد فرود ثابت و عمق پایاب ثابت، با افزایش تعداد کلیدهای سرریز، حداکثر عمق حفره و محل وقوع حداکثر عمق آبشستگی و حداکثر گسترش طول حفره آبشستگی نیز افزایش می‌یابد. همچنین عمق آبشستگی در سرریزهای کلید پیانویی کمتر از سرریزهای معمولی خطی می‌باشد. این کاهش مقدار آبشستگی در پایین‌دست این سرریزها حتی در عمق‌های پایاب کم نیز مشاهده شده است. کاهش عمق پایاب موجب افزایش حداکثر عمق آبشستگی و دور شدن محل وقوع حداکثر عمق آبشستگی از انتهای کف‌بند می‌شود. پروفیل حفره آبشستگی در سرریز کلید پیانویی تقریبا مشابه سرریزهای خطی می‌باشد و تنها تفاوت آن در ارتفاع تلماسه ایجاد شده در پایین‌دست حفره می‌باشد. ارتفاع تلماسه ایجاد شده در سرریز کلید پیانویی حتی در عمق‌های پایاب زیاد کمتر از سرریز لبه‌تیز است و همچنین با افزایش عدد فرود ذره، پارامترهای حداکثر عمق آبشستگی و طول محل وقوع آن افزایش می‌یابند.
نتیجه گیری: در سرریز های کلید پیانویی کاهش عمق پایاب موجب افزایش حداکثر عمق آبشستگی و دور شدن محل وقوع حداکثر عمق آبشستگی از انتهای کف‌بند می‌شود. با افزایش عدد فرود ذره، مقدار حداکثر عمق آبشستگی، محل وقوع حداکثر عمق آبشستگی و حداکثر گسترش طول حفره آبشستگی، افزایش می‌یابند. نرخ افزایش عمق حفره وابسته به تعداد کلیدهای سرریز نیز می‌باشد، و در یک عدد فرود و عمق پایاب ثابت، با افزایش تعداد کلیدهای سرریز، حداکثر عمق حفره و محل وقوع حداکثر عمق آبشستگی نیز افزایش می‌یابد.
واژه‌های کلیدی: سرریز کلید پیانویی، چاله آبشستگی، مطالعه آزمایشگاهی، عمق آب، عدد فرود

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Study of Downstream Scour of Piano Keys Weirs

نویسندگان [English]

  • saeed gohari 1
  • fariba ahmadi 2
2 bu ali sina univarsity
چکیده [English]

Experimental Study of Downstream Scour of Piano Keys Weirs
Abstract
Background and objectives: The Piano Key Weir (PKW) is a rectangular-labyrinth-type weir that used to maximize the allowable weir length that can fit in a given spillway channel width, while reducing the required structural footprint. Piano key spillways is a new form of long crest spillways that have a relatively simple structure and high economic efficiency structures. Due to the advantages of this spillways, we need to study and investigate the downstream scouring of this structures. In this research, the downstream scour of piano key spillway has been studied. For this purpose, two different physical models of piano key spillways in different hydraulic conditions have been used.
Material and methods: The experiments were carried out in a flume with a 10 meters length and 50 cm width and height. Two type of piano key weir with 5 and 9 keys were used in this experiments. In order to compare the scour hole area a linear spillway with a height of 20cm and a width of 50 cm were used in comparison with linear spillways, the corresponding hydraulic conditions was also studied. The scour hole dimensions were measured with a point gauge with ±1 millimeter reading accuracy which has located on top of the channel that can moving along to the channel. The effect of the particle number on the maximum scour depth and location of maximum scour hole was investigated.
Results: The results show that in piano key weirs, with increasing effective crest length, water depth decreases over spillway crest and so on decreases the amount of scour depth by decreasing the flow velocity at downstream of spillway. Bed profile shape at eroded area is completely three dimensional. Increasing rate of Scour hole depth is related to number the of piano keys. By increasing the number of keys the maximum depth, length and location of the scour hole as well increased. The results show that even at the low level downstream water depth, scouring of this spillway is less than the sharp crested linear spillways. The profile of the scour hole in the piano key spillway is almost similar to the linear spillway but the only difference is in the height of the dune at the downstream of scour hole. The height of the dune generated at higher downstream water depth of piano key spillway is even lower than sharp crested linear spillway and also, with increasing the particle Froude number, the maximum scour depth parameter and length of occurrence was increased.
Conclusion: In piano key spillways reducing downstream water depth will led increasing scour depth and far it away from downstream apron. Also by increasing the particle Froude number, the maximum scour depth, the location of the maximum scour depth and the maximum length of the scour hole was increased. The rate of increase in the scour depth is also dependent on the number of overflow keys, and in a fixed Froude number and downstream water depth, increasing the number of keys, the maximum depth and location of maximum scour depth also increased.

Keywords: Experimental Study, Froude Number, Piano Key Spillway, Scour Hole, Water Depth

کلیدواژه‌ها [English]

  • Experimental Study
  • Froude Number
  • Piano Key Spillway
  • Scour Hole
  • Water Depth
1.Anderson, R.M., and Tullis, B.P. 2013.
Piano Key weir hydraulics and labyrinth
weir comparison. J. Irrig. Drain. Engin.
139: 3. 246-253.
2.Bey, A., Faruque, M.A.A. and Balachandar,
R. 2007. Two- Dimensional Scour Hole
Problem: Role of Fluid Structures. J. Hydr.
Engin. 133: 4. 414-430.
3.Bradley, J.N., and Peterka, A.J. 1957.
Hydraulic design of stilling basins. J.
Hydr. Div. ASCE. 83: 1-24. Comm. Irrig.
Drain. Beijing, China.
4.Dey, S., and Sarkar, A. 2006. Scour
downstream of an apron due to
submerged horizontal jets. J. Hydr. Engin.
132: 3. 246-857.
5.Farhoudi, J., and Smith, K. 1985. Local
scour profiles downstream of hydraulic
jump. J. Hydr. Engin. 23: 4. 343-359.
6.Hamidifar, H., and Omid, M.H. 2010.
Experimental investigation of scouring of
non-cohesive sediments at apron
downstream. J. Agric. Engin. 11: 2. 17-28
(In Persian)
7.Jüstrich, S., Pfister, M., and Schleiss, A.J.
2016. Mobile Riverbed Scour
Downstream of a Piano Key Weir. ISH J.
Hydr. Engin. 142: 11. 04016043.
8.Lempérière, F., and Ouamane, A. 2003.
The Piano Keys weir: a new costeffective solution for spillways. Int. J.
Hydropower Dams. 10: 5. 144-149.
9.Machiels, O., Erpicum, S., Archambeau,
P., Dewals, B.J., and Pirotton, M. 2011b.
Piano Key weir preliminary design
method- Application to a new dam project.
Proc. Int. conf. Labyrinth and Piano Key
Weirs, Liege, Belgium. Pp: 199-206.
10.Machiels, O., Pirotton, M., Pierre, A.,
Dewals, B., and Erpicum, S. 2014.
Experimental parametric study and
design of Piano Key Weirs. J. Hydr.
Rese. 52: 3. 326-335.
11.Pfister, M., Capobianco, D., Tullis, B.
and Schleiss, A. 2013. Debris-blocking
sensitivity of Piano Key weirs under
reservoir-Type approach flow. J. Hydr.
Engin. 139: 11. 1134-1141.
12.Rajaei, A., Esmaeili Varaki, M., and
Shafei Sabet, B. 2018. Experimental
investigation on local scour at the
downstream of grade control structures
with labyrinth planform. J. Hydr. Engin.
Published online: 05 Aug 2018.
13.Rajaratnam, N. 1981. Erosion by plane
turbulent jets. J. Hydr. Res. 19: 4. 339-358.
14.Riberio, M., Pfister, M., Schleiss, A.J.,
and Boillat, J.L. 2012. Hydraulic design
of A-type Piano Key weirs. J. Hydr. Res.
50: 4. 400-408.
15.Safarzadeh, A., and Noroozi, B. 2015.
3D hydrodynamics of trapezoidal
piano key weirs. Inter. J. Civil Engin.
136: 345-358.
16.Saifi, A., Hossein Zadeh Delir, A., and
Farsadi Zadeh, D. 2014. Scouring at the
downstream of the broad crested weir
with two sloped side. J. Water Soil Sci.
23: 177-188. (In Persian)
17.Sarathi, P., and Faruque, M.A.A., and
Balachandar, R. 2008. Influence if
Tailwater Depth, Sediment Size and
Densimetric Froude Number on Scour
by Submerged Square Wall Jets. J.
Hydr. Res. 46: 2. 158-175.