بررسی تأثیر شیب هم‌زمان وجه‌های بالادست و پایین‌دست بر عملکرد هیدرولیکی سرریز کنگره‌ای مستطیلی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد

2 علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

3 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

چکیده

سابقه و هدف: سرریزها سازه‌های هیدرولیکی مهمی می‌باشند که برای تنظیم سطح آب، اندازه‌گیری جریان و تخلیه سیلاب در کانال-ها، رودخانه‌ها و مخازن سدها احداث می‌شوند. سرریزها بر اساس شکل تاج در عرض رودخانه، به دو گروه مستقیم و غیر مستقیم تقسیم می‌شوند. یکی از راهکارهای موثر و اقتصادی برای افزایش ظرفیت تخلیه در عرض مشخص سرریزها، استفاده از سرریز کنگره‌ای می‌باشد. هدف اصلی از طرح کنگره‌ای سرریزها، افزایش طول سرریز به‌وسیله غیر خطی کردن شکل آن در پلان می‌باشد.. عوامل موثر بر ضریب دبی سرریز کنگره‌ای از موارد مهمی می‌باشد که باید به آن توجه شود. این مشخصه از جریان تحت تاثیر پارامترهای متعددی است که تغییر در هر یک از آنها نسبت به حالت استاندارد، شرایط جریان و راندمان تخلیه این سازه‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. یکی از این پارامترها شیب وجه‌های بالادست و پایین دست سرریز کنگره‌ای می‌باشد. هدف از این پژوهش بررسی آزمایشگاهی اثر شیب هم‌زمان وجه‌های بالا‌دست و پایین‌دست بر عملکرد هیدرولیکی سرریز کنگره‌ای مستطیلی می‌باشد.
مواد وروش‌ها: در این پژوهش 5 مدل سرریز کنگره‌ای مستطیلی در 4 شیب مختلف وجه‌های بالا‌دست و پایین‌دست به صورت هم زمان با استفاده از مدل آزمایشگاهی بررسی شد. پارامترهای موثر با استفاده از تجزیه و تحلیل ابعادی به روش باکینگهام در قالب شناسه‌های بدون بعد به‌دست آمد. آزمایش‌ها در فلومی با مقطع مستطیلی به طول 12 متر، عرض 5/0 متر و ارتفاع 8/0 متر با محدوده دبی 10 تا 70 لیتر بر ثانیه اجرا شد. سرریزهای مورد آزمایش از جنس پلکسی گلاس با ضخامت 10 میلی‌متر و تعداد 2 سیکل ساخته شد. سرریز‌ها با هندسه‌های متفاوت که عبارتند از ارتفاع‌های 15، 20 و 25 سانتی‌متر و همچنین طول تاج‌های 075/1، 275/1 و 675/1 مورد بررسی قرار گرفت. زاویه شیب سرریزهای مورد آزمایش به‌ترتیب از حالت سرریز کنگره‌ای مستطیلی بدون شیب به زاویه‌های 15، 30 و 45 درجه نسبت به رأس تاج سرریز تغییر یافت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد در محدوده دبی‌های کم، با ایجاد شیب هم‌‎زمان وجه‌های بالا‌دست و پایین‌دست در مدل سرریز کنگره‌ای مستطیلی، ضریب دبی سرریز نسبت به حالت بدون شیب مدل حدود 12 درصد کاهش می‌یابد. با افزایش پارامتر بدون بعد Ht/P از میزان کاهش ضریب دبی سرریز کاسته می‌شود. در محدوده دبی‌های زیاد ضریب دبی سرریز کنگره‌ای مستطیلی با شیب هم‌زمان وجه-های بالا‌دست و پایین‌دست بیشتر از ضریب دبی سرریز کنگره‌ای مستطیلی بدون شیب می‌گردد. علاوه بر این نتایج این پژوهش نشان داد که افزایش ارتفاع سرریز در مدل سرریز کنگره‌ای مستطیلی با شیب هم‌زمان وجه‌های بالا‌دست و پایین‌دست، ضریب دبی سرریز را در حدود 18 درصد افزایش می‌دهد. همچنین نتایج حاکی از آن بود که افزایش طول موثر سرریز در مدل سرریز کنگره‌ای مستطیلی با شیب هم‌زمان وجوه باعث کاهش تقریبأ 13 درصدی ضریب دبی سرریز در نسبت‌های Ht/P بیشتر از حدود 3/0 می‌شود.
نتیجه‌گیری: با توجه به نتایج حاصل از این پژوهش می‌توان نتیجه گرفت که شیب‌دار نمودن هم‌زمان وجه‌های بالا‌دست و پایین‌دست سرریز کنگره‌ای مستطیلی نقش موثری در کارآئی این سرریز دارد. به‌طوریکه در دبی‌های بالا به‌منظور بهبود عملکرد هیدرولیکی سرریز کنگره‌ای مستطیلی می‌توان از ایجاد شیب هم‌زمان دو وجه استفاده نمود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of simultaneous slope of upstream and downstream ramps on hydraulic performance of rectangular labyrinth weir

چکیده [English]

Background and objectives: Weirs are one of important hydraulic structures that are constructed to regulate water surface, flow measurement and flood discharge in canals, rivers and reservoirs. According to the shape of crest across river, weirs are divided to two direct and indirect groups. Using labyrinth weir is an effective and economical way to increase discharge capacity. Main goal of labyrinth design of weirs is increase the length of weir by making the shape of it nonlinear. Effective factors on labyrinth weir’s discharge coefficient are important which should be considered. Different parameters affect this characteristic of flow and any change in one of these factors affect the flow condition and discharge coefficient. One of these parameters is downstream and upstream ramps slope of labyrinth weir. This study is concentrated on experimental investigation of simultaneous slope of downstream and upstream ramps’ effect on hydraulic performance of rectangular labyrinth weir.
Materials and methods: In this study 5 models of rectangular labyrinth weir in 4 different ramp slopes were investigated in hydraulic laboratory. Effective parameters on system were obtained by dimensionless indexes using Buckingham theory. Experiments are carried out in flume with rectangular profile, it’s length, width and height are 12, 0.5 and 0.8 meters, respectively and discharge range of 10 to 70 l/s. Weirs under experiments were made of Plexiglas with 10 mm thickness and 2 cycles. Weirs including different heights of 15, 20, 25 cm and different crest’s length of 1.075, 1.275 and 1.675 cm were investigated. In this study 4 different slopes were considered for rectangular labyrinth weir including without slope, 15, 30 and 45 degrees.
Results: Results indicated that in the case of upstream and downstream ramps' simultaneous slope, discharge coefficient decreased up to 7 percent compared to without slope condition. Increasing dimensionless parameter Ht/P leads to decrease discharge coefficient reduction. In the high discharge range, rectangular labyrinth discharge coefficient with upstream and downstream ramps' simultaneous slope is more than without slope condition. Furthermore, results showed that increase of weir height in rectangular labyrinth weir with upstream and downstream ramps' simultaneous slope results in discharge coefficient increase up to 13%. Increase of weir's effective length reduces the discharge coefficient up to 9% in Ht/P ratios that are more than 0.3.
Conclusions: With regard to the conclusion of this study, upstream and downstream ramps simultaneous slope plays an important role in efficiency of rectangular labyrinth weir. So, two ramps simultaneous slope can be used for high discharge in order to improvement of rectangular labyrinth weir's hydraulic efficiency.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Non-linear weir
  • Apron
  • Flow coefficient
  • physical model

مراجع

1.Amanian, N. 1987. Performance of and design of labyrinth spillways. M.Sc. thesis, Utah State Univercity. Logan. Utah.
2.Anderson, R.M. 2011. Piano key Weir Head Discharge Relationships. All Graduate Theses and Dissertations, University of UtahState. 80p.
3.Azimi, A.H., Rajaratnam, N., and David, Z.Zh. 2013. Discharge Characteristics of Weirs of Finite Crest Length with Upstream and Downstream Ramps. J. Irrig. Drain. Eng. 139: 1. 75-83.
4.Cassidy, J.J., Gardner, C.A., and Peacok, R.T. 1985. Boardman labyrinth crest. J. Hyd. Eng. ASCE. 111: 3. 247-255.
5.Chanson, H. 2009. Discussion of Hydraulics of Broad-Crested Weirs with Varying Side Slopes. J. Irrig. Drain. Eng. ASCE. 136: 7. 508-509.
6.Crookston, B.M., and Tullis, B.P. 2012. Labyrinth weirs: nappe interference and local submergence. J. Irrig. Drain. Eng. ASCE. 138: 8. 757-765.
7.Darvas, L.A. 1971. Performance and design of labyrinth weirs. J. Hydr. Div. ASCE.
97: 8. 1246-1251.
8.Fritz, H.M., and Hager, W.H. 1998. Hydraulics of embankment weirs. J. Hydr. Eng.
124: 9. 963-971.
9.Falvey, H.T. 2003. Hydraulic Design of Labyrinth Weirs. ASCE Press. Pub., Virginia, USA.
10.Farhudi, J., Goudarzi, E., and Shokri, N. 2007. Investigation of upstream Slop on flow condition and discharge efficiency of broad-crest weir. Iranian Hydraulic Conference, Shahrekord, Iran. (In Persian) 
11.Hay, N., and Taylor, G. 1970. Performance and design of labyrinth weirs. J. Hydr. Div. ASCE. 96: 2. 2337-2357.
12.Kumara, S., Ahmada, Z., and Mansoorb, T. 2011. A new approach to improve the discharging capacity of sharp-crested triangular plan form weirs. Flow Measurement and Instrumentation. 22: 175-180.
13.Lux, F., and Hinchliff, D.L. 1985. Design and construction of labyrinth spillway.
15th Congress of ICOLD. Lausanne. Switzerland, Pp: 249-274.  
 
14.Mirnaseri, M. 2013. Investigation of combined flow over rectangular labyrinth weir and under gates with different plans. M.Sc. Thesis, University of Sari, 79p. (In Persian) 
15.Novak, P., Guinott, V., Jeffrey, A., and Reeve, D.E. 2010. Hydraulic modeling an introduction. Spon Prees, New York, USA.  
16.Rezaee, M. 2013. Rectangular Labyrinth Weir Head-Discharge Relationship. M.Sc. Thesis, University of Sari, 60p. (In Persian)
17.Sadeghian, H., and Barghei, M. 2008. Increase efficiency of lateral weirs with upstream and downstream ramps' slope. National Congress of Civil Engineering, Tehran, Iran. (In Persian)
18.Sargison, J., and Percy, A. 2009. Hydraulics of Broad-Crested Weirs with Varying Side Slopes. J. Irrig. Drain. Eng. 135: 1. 115-118.
19.Taylor, G. 1968. The performance of Labyrinth weir. Thesis presented to university of Nottingham. England.
20.Tullis, J.P., Amanian, N., and Waldron, D. 1995. Design of Labyrinth Spillways. J. Hydr. Eng. ASCE. 121: 3. 247-255.
21.Tullis, J.P., Willmore, C.M., and Wolfhope, J.S. 2005. Improving performance of lowhead labyrinth weirs. Proc. of the 2005 World Water and Environmental Resources Congress. May 15-19. Anchorage, Alaska. 
22.Tullis, J.P., Youngand, J.C., and Chandler, M.A. 2007. Head-discharge relationship for submerged Labyrinth weir. J. Eng. ASCE. 133: 3. 248-254.
مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک
دوره 23، شماره 4
مهر 1395
صفحه 155-169

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار