بررسی آزمایشگاهی عملکرد هیدرولیکی سرریزهای پلکانی قوس محور متأثر از تغییرات شیب کانال ترانزیشن پایین‌دست

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استاد مدعو دانشگاه صنعتی قوچان

2 استاد تمام، عضو هیات علمی تمام وقت دانشکده عمران.دانشگاه تبریز

3 مربی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه پیام نور مشهد

چکیده

سابقه و هدف: هدف از طراحی مستهلک کننده‌های انرژی، مستهلک کردن بخشی از انرژی جنبشی جریان به منظور جلوگیری از تخریب و ایجاد حفره در زیر سرریزها، شوت‌ها و دریچه‌ها می‌باشد. اگر چه تحقیقات متعددی در این زمینه انجام شده است، اما بررسی‌ها حاکی از آن است با وجود این تحقیقات متعدد، هیدرولیک جریان سرریزهای پلکانی قوس محور متأثر از تغییرات شیب کانال ترانزیشن پایین‌دست تا کنون مورد توجه قرار نگرفته و تحقیقی بر روی آن انجام نشده است به همین دلیل هیدرولیک این نوع خاص سرریز تاکنون ناشناخته مانده است، لذا در این تحقیق سرریز پلکانی قوس محور با دیواره‌های هادی متقارب تحت تأثیر تغییرات شیب ترانزیشن مورد آزمایش واقع شده است.
مواد و روش‌ها: این پژوهش با هدف بررسی آزمایشگاهی عملکرد هیدرولیکی سرریزهای پلکانی قوس محور تحت تأثیر تغییرات شیب کانال ترانزیشن انجام شده است. آزمایشات در یک فلوم مستطیلی به طول 15 متر، ارتفاع 1 متر و عرض 1 متر انجام شد. آزمایش‌ها به ازای دبی‌های مختلف بین 15/0 تا 01/2 برابر دبی طراحی انجام گردید و مدل فیزیکی ساخته شده تحت 4 شیب کانال ترانزیشن پایین‌دست (m) شامل 1:27، 1:30، 1:33و 0 مورد آزمایش قرار گرفت.
یافته‌ها: آزمایشات نشان داد که در سرریزهای پلکانی قوس محور تحت اثر تغییرات شیب کانال ترانزیشن پایین‌دست (m) با کاهش شیب ترانزیشن، ظرفیت تخلیه سرریز به ازای بالاترین هد مجاز بیشتر خواهد شد. همچنین در بازه 7/0 H/H_d < مقدار ضریب دبی در مدل فیزیکی پلکانی در کلیه شیب‌ها کمتر از مدل صافUSBR مشاهده گردید. در بازه 3/1<H/H_d < 7/0 این مقدار با ضریب آبگذری سرریز USBR تطابق دارد، اما با افزایش بار آبی کل، درتمامی شیب ترانزیش‌ها، به‌دلیل استغراق سرریز، نمودار ضریب دبی روند کاهشی به خود گرفته و کاهش کارایی سرریز نسبت به سرریز اوجی استاندارد USBR مشاهده می‌شود. علاوه بر این، آزمایشات نشان داد، مدل-های با شیب‌ کانال ترانزیشن 0m= و1:33 m=، تنها مدل‌هایی می‌باشند که توان عبور حداکثر دبی سیلاب محمتل را در حداکثر ارتفاع مجاز (m5) دارا می‌باشد و از آنجایی‌که شیب‌ کانال گذار 1:33m= دارای ابعاد هندسی کوچکتری در کانال پایین‌دست در مقایسه با شیب‌ کانال گذار 0 m= می‌باشد، بنابراین این شیب می‌تواند بعنوان مناسب‌ترین شیب ترانزیشن در کانال پایین‌دست معرفی گردد.
نتیجه‌گیری: نتایج کمی وکیفی تحقیق حاضر بصورت زیر خلاصه می‌گردد.
1-در سرریزهای پلکانی قوس محور با افزایش بار آبی بالادست، ضریب دبی به‌ازای تمامی شیب ترانزیشن‌ها افزایش می‌یابد و نیز تا هنگامی که سرریز در محدوه جریان‌های بحرانی و فوق بحرانی قرار دارد، تغییرات سیب ترانزیشن تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر ضریب دبی ندارد. علیرغم این، وقتی سرریز مستغرق می‌گردد، تفاوت در ضریب دبی نمایان می‌شود که می‌تواند بخاطر استغراق موضعی در پایاب باشد. 2- استهلاک انرژی با افزایش دبی کاهش می‌یابد، اما مدل‌ها با مقادیر شیب ترانزیشن کوچکتر انرژی بیشتری را در دبی‌های بالاتر مستهلک می‌کنند. 3- مدل‌ با شیب‌ کانال ترانزیشن 1:33m= که توان عبور حداکثر دبی سیلاب محمتل را در حداکثر ارتفاع مجاز (m5) دارا می‌باشد می‌تواند بعنوان مناسب‌ترین شیب ترانزیشن در کانال پایین‌دست معرفی گردد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Study of Hydraulic Performance of Stepped Spillway with a Curve Axis Affected by Downstream Transition Channel slope Changes

نویسندگان [English]

  • Ali Foroudi 1
  • Kiyoumars Roushangar 2
  • Alireza Aghaeie far 3
1 faculty of civil Eng., Univ. of Tabriz, Iran
2 Professor, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
3 Lecturer, Faculty of Civil Engineering, University of Payame Noor, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: The purpose of the design of energy dissipaters is to dissipate part of the kinetic energy of the inflowing flow in order to return safely the flow to the downstream channel or river and prevent scour below spillways, chutes and sluices. However, surveys show that despite the numerous researches, there is a lack of research on the comprehensive study of hydraulic performance of stepped spillway with curve axis under downstream transition channel slope variation. Therefore, in this study, several physical models of curve axis stepped spillway with converging training walls were made and the impact of downstream transition channel slope variation on the hydraulic characteristics of this type spillway was assessed.
Materials and Methods: This study was conducted with the aim of investigating the hydraulic performance of stepped spillway with curve axis under downstream transition channel slope variation. The experiments were carried out in a rectangular flume with length of 15 m, height of 1 m and width of 2 m. The experiments were performed at different discharge rates from 0.015 to 2.1 times the design discharge and the physical model was tested under four different transition channel slopes of m=0, m=1:33, m=1:30, and m=1:27.
Results: The results of the experiments indicate that in the converging steeped spillway with downstream transition channel slope variation, by decreasing slope of transition channel, the discharge flood in the maximum head allowed will go up. Also, it is find that in the range of H/Hd = 0.7, the discharge coefficient in the stepped physical model for all transition slopes was less than the smooth USBR model and in the range of 0.7 < H/Hd < 1. 3 there was a good consistency with the USBR model. However, with increasing the total water head, due to the spillway submergence the discharge coefficient for all transition slopes showed a descending trend and the spillway efficiency decreased in compared with the standard USBR ogee spillway. Moreover, the results showed that the models with slope of 0 and 1:33 are two models which can pass the probable maximum flood discharge in the maximum allowable height successfully But, the model dimension of physical model with downstream transition Channel slope of m=1:33 is smaller than that of m=0.Therefore, model with slope of m=1:33 can be selected as the most efficient model.
Conclusion: General qualitative and quantitative results of the present study are summarized as the fallowing:
1- In the converging stepped spillway by increasing total upstream head, the discharge coefficient will go up for each of the transition Channel slope (m) and until the downstream flow is at either supercritical or critical stages, the discharge coefficient is independent of variation of transition Channel slope. By contrast, at the submergence stage for the spillway, the difference in the discharge coefficient can be due to tailwater submergence occurring in the spillway.
2- Energy dissipation over converging stepped spillway decreases with increasing the discharge ratio, but model with smaller amount of transition slope (m) lead to decline more energy dissipation in higher discharge.
3- The model with slope of m=1:33 can be selected as the best model due to it’s ability to pass the probable maximum flood in the Maximum allowable head.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Curve axis
  • Energy dissipation
  • Hydraulic performance
  • Stepped spillway
  • Transition channel
1.Afshoon, H.R., Kamanbedast, A.A., Masjedi, A.R., Heidarnejad, M., and Bordbar, A. 2019. Investigation of energy loss in step-spillway with obstacles on the step using physical and Flow-3D model.J. Soil Cons. 26: 2. 138-156. (In Persian)
2.Azhdary Moghaddam, M. 1997. The hydraulics of flow on stepped ogee-profile spillways. Ph.D Thesis, University of Ottawa.
3.Banishoaib S.A., Bordbar, A.A., Kamanbedast, A., Masjedi, A., and Heidarnejad, M. 2020. The study of energy loss in stepped- labyrinth spillways. JWSC, 23: 29-41. (In Persian)
4.Boes, R.M., and Hager, W.H. 2003. Two- Phase Flow Characteristics of Stepped Spillways. J Hydraul. Eng. ASCE.129: 661-670.
5.Chamani, M.R., and Rajaratnam, N. 1994. Jet flow on stepped spillways.J. Hydraul. Eng. 120: 2. 254-259.
6.Chanson, H. 2000. Characteristics of Skimming Flow over Stepped Spillways. J. Hydraul. Eng. 126: 11. 862-865.
7.Chanson, H. 2001. A transition flow regime on stepped spillways: the facts. Tsinghua University Press. Pp: 490-498.
8.Chanson, H. 2002. Hydraulics of stepped chutes and spillways, CRC Press.
9.Essery, I.T.S., and Horner, M.W.1971. The hydraulic design ofstepped spillways, Construction Industry Research and Information Association.
10.Featherstone, R.E., and Nalluri, C. 1982. Civil Engineering Hydraulics: Essential Theory with Worked Examples. Granada, Spain.
11.Foroudi, A., Roushangar, K., and Saneie, M. 2018. Experimental Study of Hydraulic Performance of Stepped Spillway with a Curve Axis Affected by Downstream Channel Width Changes. Amirkabir. 51: 5. 19-33. (In Persian)
12.Hunt, S.L., Kadavy, K.C., Abt, S.R., and Temple, D.M. 2008. Impact of converging chute walls for roller compacted concrete stepped spillways.J. Hydraul. Eng. 134: 7. 1000-1003.
13.Mohammadzadeh-Habili, J., Heidarpour, M., and Afzalimehr, H. 2013. Hydraulic characteristics of a new weir entitled of quarter-circular crested weir. FLOW MEAS INSTRUM. 33: 168-178.
14.Rice, C.E., and Kadavy, K.C. 1996. Model study of a roller compacted concrete stepped spillway. J. Hydraul. Eng. 122: 6. 292-297.
15.Sedaghatnejad, S. 2009. Investigation of energy dissipation in stepped overflows with end-points. M.Sc. Dissertation, University of Sharif, Tehran, Iran.(In Persian)
16.S´ nchez-Juny, M., Bladé, E., and Dolz, J. 2007. Pressures on a stepped spillway. J. Hydraul. Res. 45: 4. 505-511.
17.Sori, N., and Mojtahedi, A. 2015. Investigation of Effects of the Geometry on Rate of Energy Dissipation of the Flow over the Stepped Spillwayusing Fuzzy Inference Systems. IJCEE. 45: 3. 25-39. (In Persian)
18.USACE, US, Army Corps of Engineers. 1952. Hydraulic Design Criteria. Revised in subsequent years.
19.USACE, US, Army Corps of Engineers. 1995. Gravity Dam Design–Engineering and design (engineer manual), EM 1110-2-2200.
20.U.S. Bureau of Reclamation. 1977/1987. Design of small dams. 3rd ed. Technical Service Center, Denver, USA.