بررسی آزمایشگاهی حداکثر عمق و طول گودال‌های ایجاد شده ناشی از برداشت مصالح رودخانه‌ای تحت شرایط جریان زیربحرانی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران.

2 گروه مهندسی عمران- دانشگاه مراغه

چکیده

چکیده:
سابقه و هدف: برداشت شن و ماسه از بستر و کناره‌های رودخانه سبب تغییر در شرایط هیدرولیکی، هیدرولوژیکی، افزایش فرسایش بستر و کناره‌های رودخانه و همچنین تخریب سازه‌های موجود در مسیر رودخانه می‌گردد. هدف از تحقیق حاضر بررسی حداکثر عمق و طول انتقال گودال‌های ایجاد شده تحت اثر برداشت مصالح رودخانه‌ای است.
مواد و روش‌ها: برای این تحقیق از کانال مستطیلی شکل به طول 5 متر، عرض 3/0 متر و ارتفاع 45/0 متر با شیب ثابت استفاده شد. گودال‌هایی نیز با اندازه‌های مختلف و تحت سرعت‌های نسبی جریان 83/0، 89/0، 94/0 و 1 برای حالت با و بدون اعمال دریچه در دانه بندی‌های 15/0 و 6/0 میلی‌متر ایجاد گردید. در این تحقیق زمان آزمایش برای حالت بدون اعمال دریچه 1 ساعت و برای حالت با اعمال دریچه 5/1 ساعت می‌باشد که زمان تعادل برای هر دو حالت 15 دقیقه آخر آزمایش ذکر گردید. برای برداشت داده از نیمرخ سه بعدی بستر در هر دو حالت، بعد از قطع جریان آب و ثبت عمق آب در نقاط مختلف، از اسکنر سه بعدی لیزری استفاده شد. همچنین از مقطع کناری بستر متحرک نیز اقدام به عکسبرداری از نحوه گسترش گودالهای ایجاد شده گردید. سپس با استفاده از نرم افزارهای MATLAB ، Tec-Plot 360، Grapher و Excelاقدام به مرتب سازی و آرایش مجدد دادهها و رسم نمودارهای برداشت شده گردید. در طول آزمایشهای انجام شده تشکیل فرم‌های بستر نیز در بالا و پاییندست گودالهای ایجاد شده مشاهده و نحوه تغییرات آنها با زمان ثبت شد.
یافته‌ها: نتایج آزمایش‌ها نشان داد که با کاهش عدد فرود و کاهش عمق گودال‌ها و همچنین با ایجاد جریان ثانویه در داخل گودا‌ل‌ها، نسبت‌ بی‌بعد ارتفاع گودال به عمق جریان ( ) کاهش، طول وعرض گودال به عمق جریان ( و ) افزایش می‌یابد. در ضمن مشخص گردید که با افزایش تنش برشی و عدد فرود، نسبت سرعت برشی بحرانی به سرعت جریان ( ) افزایش خواهد یافت. همچنین نیمرخ طولی و نمایی سه بعدی از انتقال گودال‌ها برای تمامی شرایط هیدرولیکی و رسوبی مختلف مشاهده و ترسیم شد. در انتها معادلات تجربی برای حداکثر طول و عمق آبشستگی برای گودال مستطیلی شکل به همراه آنالیز حساسیت ارائه گردید. در حالت کلی نشان داده شد که زاویه ایستایی مصالح داخل آب ( ) بیشترین تأثیر را در افزایش و ارتفاع گودال به عمق جریان ( ) بیشترین تأثیر را در کاهش طول و عمق آبشستگی گودال دارد.
نتیجه‌گیری: نتایج آزمایش‌ها بصورت ارائه روابط بی‌بعد برای حداکثر عمق و طول آبشستگی گودال‌ها برای هر دو حالت با و بدون اعمال دریچه در هر دو دانه بندی 15/0 و 6/0 میلی‌متر تحت شرایط جریان زیربحرانی و نشان دادن بیشترین و کمترین اثر پارامترها و بکارگیری آنالیز حساسیت برای روابط حاصل شده، می‌باشد. همچنین مشاهده شد که کمترین درصد خطا برای حداکثر عمق آبشستگی مربوط به دانه بندی 15/0 میلی‌متری در حالت بدون اعمال دریچه با درصد خطای نسبی 98/2% و خطای RMSE(بدون واحد)، 23/0 می‌باشد. کمترین درصد خطا برای حداکثر طول آبشستگی نیز مربوط به دانه بندی 6/0 میلی‌متری برای حالت با اعمال دریچه با درصد خطای نسبی 75/4 % و خطایRMSE (بدون واحد)، 5/0 می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The experimental investigation of the maximum depth and length of the created pit holes due to the bed material removal under subcritical flow condition

نویسندگان [English]

  • Rasoul Daneshfaraz 1
  • Jafar Chabokpour 1
  • Mehdi Dasineh 2
1 Dept. of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Maragheh, IRAN
2 Dept. of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Maragheh, IRAN
چکیده [English]

Abstract
Background and Objectives: The removal of sand and gravel from the bed and the banks of the rivers cause to change in the hydraulic and hydrology conditions of them as well as the aggradation and degradation processes in the bed and the banks and also the destruction of existing structures along the river. The purpose of the present study is to study the pit migration (maximum depth and length of the holes) due to the material extraction.
Materials and Methods: For this research, a rectangular experimental flume with length, width, and height of (5, 0.3, 0.45) meters was used. The longitudinal slope was fixed to zero. The pit holes with different sizes and different entrance discharges including relative velocities of 0.83, 0.89, 0.94 and 1, have been operated. The experiments have been accomplished with or without downstream gate by using two sediments mean dimensions of the 0.15, 0.6 mm. In this study, the duration of the experiments, were fixed to 1 and 1.5 hours respectively for including and without end gate flow conditions. such that the equilibrium time for both of them was the last 15 minutes. A 3D laser scanner was also used to take data from the bed profile after flow disconnection. Also from the side view of the experimental flume, the digital photos were taken to view the conditions of the pit propagation at different time intervals. Afterward, using the MATLAB, Tec-Plot 360 and Grapher software tried to rearrange the data series for 2 and the 3-dimensional view from time variation of the pits were extracted. During the experiments, the bedforms at the down and upstream of the pit holes were observed and their temporal variations were recorded.
Results: The results of the experiments showed that with decreasing of the Froude number, pit depth and also by creation of the secondary currents inside the holes, the dimensionless ratio of the decreases and reversely, the dimensionless parameters of the and increases. On the other hand, it was concluded that by increasing the Froude number and shear stress, the dimensionless ratio of the would be increased. The longitudinal profiles and 3D view of the pit migration at the all of the sediment and flow conditions were observed and depicted. At the end, the experimental equations of the maximum scouring length and depth of the pit hole were presented. In general, it was shown that the submerged angle of repose of materials ( ) has the highest direct effect and the dimensionless ratio of has the highest reverse effect on the maximum scouring length and depth of the pit hole. The extracted relationships with experimental data were verified by means of the other set of data series and the results were quite satisfactory.

Conclusion: The results of the experiments have been illustrated by presenting the none-dimensional relationships for maximum depth and length of the pits under gated and none-gated conditions. The effects of the variation of the sediment dimension and flow conditions were also discussed. It was proved that the lowest error percent for maximum scour depth was observed in the 0.15 mm mean sediment particles, having the relative error of 2.98% and RMSE of 0.23. Also, the lowest error percent of the maximum scour length is related to a 0.6 mm mean sediment particles with a relative error of 7.45% and an RMSE of 0.5.

کلیدواژه‌ها [English]

  • pit migration
  • maximum pit depth
  • maximum pit length
  • river
  • angle of repose of sediment particles
1.Amini, A. 2001. Field and Experimental
investigation of the displacement of the
material pit. Master's Thesis. Tarbiat
Modares University of Tehran, Tehran,
Iran. (In Persian)
2.Ashraf, M.A., Maah, M.J., Yusoff, I.,
Wajid, A., and Mahmood, K. 2011. Sand
mining effects, causes and concerns: A
case study from Bestari Jaya, Selangor,
Peninsular Malaysia. Scientific Research
and Essays, 6: 6. 1216-1231.
3.Cantelli, A., and Muto, T. 2014. Multiple
knick points in an alluvial river generated
by a single instantaneous drop in base
level: experimental investigation. Earth
Surface Dynamics, 2: 1. 271.
4.Chen, D. 2011. Modeling channel
response to in stream gravel mining,
Sediment Transport-Flow and Morphological
Processes, 250p.
5.Farhadzadeh, A. 2000. Investigate the
displacement of the pit caused by
the removal of sand in a bed of a
canal. Master's Thesis. Tarbiat Modares
University of Tehran, Tehran, Iran.
(In Persian)
6.Grimaud, J.L., Paola, C., and Voller, V.
2016. Experimental migration of knick
points: influence of style of base-level
fall and bed lithology. Earth Surface
Dynamics, 4: 1. 11.
7.Guide to local scour calculation methods.
2011. 549 review National Planning and
Budget Organization. (In Persian)
8.Jabbari, E., and Farzi, H. 2010. Sand and
gravel production and these results in the
changing patterns of Razavr River
sediment load. Geographic Research,
93: 1. 145-160. (In Persian)
9.Lee, H.Y., Fu, D.T., and Song, M.H.
1993. Migration of Rectangular mining
pit composed of uniform sediment. J.
Hydr. Engin. 119: 1. 64-80.
10.Lee, H.Y., and Chen, S.C. 1996.
Migration of rectangular mining pit
composed of non-uniform sediments. J.
Chine. Inst. Engin. 19: 2. 255-264.
11.Liangwen, J., Zhangren, L., Qingshu, Y.,
Shuying, O., and Yaping, L. 2007.
Impacts of the large amount of sand
mining on riverbed morphology and
tidal dynamics in lower reaches and
delta of the Dongjiang River. J.
Geograph. Sci. 17: 2. 197-211.
12.Neyshabouri, S.A.A.S., Farhadzadeh,
A., and Amini, A. 2002. Experimental
and field study on mining-pit migration.
Inter. J. Sed. Res. 17: 4. 323-331.
13.Rinaldi, M., Wyzga, B., and Surian, N.
2005. Sediment mining in alluvial
channels: Physical effects and
management perspectives. River Research
and Applications, 21: 7. 805-828.
14.Rezaie, M., Daneshfaraz, R., and
Dasineh, M. 2018. Experimental
Investigation of the Effect of Clay and
Polyacrylamide Cationic Addition on
Scouring Reduction of Pier Bridges and
pits created by bed material removal.
Hydraulic Press, 13: 3. 59-70. (In Persian)
15.Sracek, O., Bohdan, K., Martin, M.,
Vladimír, M., František, V., Zbyněk, V.,
and Imasiku, N. 2012. Mining-related
contamination of surface water and
sediments of the Kafue River drainage
system in the Copperbelt district,
Zambia: An example of a high
neutralization capacity system. J.
Geochem. Exp. 112: 2.174-188.
16.Shabahi Bajestan, M. 2005. Hydraulic
sediment. Shahid Chamran University of
Ahvaz Publications.