بررسی آزمایشگاهی تاثیر بازشدگی تک دریچه مایتر بر حجم و عمق آبشستگی بستر رودخانه (مطالعه موردی؛ دریچه کشتیرانی بهمنشیر)

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا سازه های آبی/ دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 گروه مهندسی اب، مرکز تحقیقات علوم آب و محیط زیست واحد شوشتر دانشگاه آزاد اسلامی

4 دانشیار گروه مهندسی اب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

سابقه و هدف: دریچه کشتیرانی از نوع مایتر در مسیر رودخانه و شرایط عبور جریان از دریچه در حال حرکت (باز و بسته شدن دریچه) پیچیدگی خاصی دارد که بررسی تاثیر آن بر آبشستگی بستر پایین دست دریچه را ضروری می نماید. تحقیق حاضر بر روی دریچه مایتر (در حالت بازشدگی تک دریچه) انجام شده و به بررسی آزمایشگاهی تاثیر سرعت بازشدگی تک دریچه مایتر بر حجم و عمق آبشستگی بستر رودخانه (مطالعه موردی؛ دریچه کشتیرانی بهمنشیر) پرداخته است.تیموتی لاود (2012) با استفاده از مدل فیزیکی اقدام به بررسی وضعیت آبشستگی در بالادست سد شماره 24 رودخانه می سی سی پی نمود. نتایج تحقیق نشان داد که حفره های متعددی تشکیل شده که عمیق ترین آن حدود 22/1 متر عمق دارد.
مواد و روشها: براساس امکانات و شرایط آزمایشگاهی و اصل تشابه سازی، اقدام به ساخت یک مدل فیزیکی با مقیاس 1:20 (LR=20) شد. مدل‌ فیزیکی دریچه مایتر در داخل یک فلوم مستطیلی به طول 6 متر، عرض 30/1 متر و عمق 5/0 متر قرار داده شد. عمق رسوبات از محل دریچه تا انتها (بطول 3 متر) به عمق 20 سانتیمتر بود و در بالادست دریچه مایتر هیچگونه رسوباتی در نظر گرفته نشد. ذرات رسوبی از محل رودخانه بهمنشیر تامین شد که قطر متوسط (D50) آنها توسط آزمایشگاه ژئوتکنیک و برابر 25/0 میلیمتر (D50=0.25 mm) تعیین گردید؛ جنس ذرات رسوبی از نوع ماسه بود. جریان به آرامی و با دبی کم وارد کانال شده و بار هیدرولیکی مورد نظر در دو طرف دریچه (بالادست و پایین دست دریچه) تنظیم و کنترل می گردید و در نهایت جریان پس از عبور از دریچه و محدوده قفل آبی از طریق کانال پائین دست وارد مخزن پمپاژ شده و دوباره به چرخه باز می گشت. دریچه مایتر با عبور نسبت های دبی مختلف و نیز سرعت های بازشدگی مختلف در شرایطی که یک دریچه آن باز شد مورد آزمایش قرار گرفت و پس از پایان آزمایش با استفاده از متر لیزری اقدام به قرائت داده های رقوم بستر فلوم (فرسایش و رسوبگذاری) گردید که مقادیر آن بصورت حجمی و ارتفاعی محاسبه شد.
یافته ها: با توجه به نتایج حاصل از آنالیز ابعادی به روش باکینگهام، آزمایشات متعددی برای تعیین تاثیر پارامترهایی همچون نسبت سرعت بازشدگی دریچه (نسبت سرعت بازشدگی مدل نسبت به پروتوتایپ) (2 ، 4/2 و 3) و نسبت دبی های مختلف جریان (نسبت دبی جریان به دبی حداکثر مدل) (5/0، 75/0 و 1) و نسبت اختلاف بار هیدرولیکی قبل و بعد از دریچه بر حجم و عمق آبشستگی در طول فلوم انجام گردید که نتایج تحقیق در قالب رسم نمودارهای حجم آبشستگی در مقابل نسبت دبی جریان و نسبت سرعت بازشدگی ارائه شد.
نتیجه گیری: نتایج بررسی تاثیر نسبت سرعت بازشدگی دریچه مایتر بر حجم و عمق آبشستگی نشان داد بطور کلی با افزایش سرعت باز شدگی دریچه حجم آبشستگی افزایش و عمق آن کاهش یافت که به دلیل تمرکز جریان به مدت زمان بیشتر در حالت سرعت کمتر باز شدگی بود و باعث فرسایش عمقی بیشتر نسبت به حالت بازنمودن دریچه با سرعت بیشتر شد. نتایج نشان داد با افزایش سرعت باز شدگی دریچه حجم فرسایش تا 3/17 درصد افزایش یافت همچنین با افزایش سرعت بازشدگی دریچه عمق فرسایش تا 23 درصد کاهش نشان داد. لازم به ذکر است با افزایش دبی هم عمق و هم حجم چاله فرسایش افزایش یافت عمق فرسایش تا 18 درصد و حجم چاله تا 17 درصد افزایش نشان داد. در خصوص بار هیدرولیکی نیز نتایج نشان داد با افزایش بار هیدرولیکی عمق فرسایش تا 42 درصد افزایش و حجم آبشستگی نیز تا 85 درصد افزایش یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental investigation of the effect of opening of single mitergate on the volume of river bed scouring (case study: Bahmanshir navigational gate)

نویسندگان [English]

  • Behzad Tajari 1
  • Mehdi Meftah 2
  • Mohsen Solimani Babarsad 3
  • Amir ahmad Dehghani 4
1 PhD Student/ Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources
2
3 Department of water sciences,Water Science and Environmental Research Center, Shoushtar branch, Islamic Azad University
4 Associate Professor of Water Engineering Dep., Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources
چکیده [English]

Literature and Aim: The opening and closing of the miter gates in the river direction have a special complexity that makes it necessary to study its effect on the bed scouring pattern. The present study was performed on miter gate gates (in the single gate opening position) and investigated the effect of a single miter gate opening on the scouring volume of the river bed (case study; Bahmanshir shipping gate). Timothy Loved (2012) used a physical model to investigate the condition of the upstream scour of the Dam of Mississippi River. The results showed that several holes were formed, the deepest of which is about 1.22 meters deep.
Materials and Methods: Based on the available laboratory facilities and conditions and the principle of similarity, a physical model with a scale of 20 (LR = 20) was constructed. The present study tests were performed on the experimental flume in the hydraulic laboratory of Khuzestan Water and Power Industry Research Institute. In this study, the physical model of the miter gate was placed inside a rectangular flume 6 m long, 1.30 m wide, and 0.5 m deep. The depth of sediment from the half-flume to the end (approximately 3 m in length) was 20 cm and no sediment was considered upstream of the miter gate. Sediment particles used in the present study were supplied from Bahmanshir River, their average diameter (D50) was 0.25 mm (D50 = 0.25 mm) and determined by the Geotechnical Laboratory; Sedimentary particles were silt. In the direction of flow conveyance, the volume and amount of discharge were controlled by a valve and a digital flow meter. The flow slowly and with low discharge entered the flume and the desired hydraulic head was checked and recorded on both sides of the miter gate (upstream and downstream of the miter gate) and finally, the flow enters the pumping tank through the downstream channel after passing through the miter gate and the navigation lock area and returns to the cycle. The Miter gate was tested with different discharge ratios as well as different opening speeds when one of the miter gate gates was opened. The miter gate in this study was made of Teflon; Using a laser meter, the data of the flume bed elevation (erosion and sedimentation) were read, the values of which were calculated by volume.
Discussion: According to the results of Buckingham's dimensional analysis, several experiments were performed to determine the effect of parameters such as miter gate opening velocity ratio (2, 2.4, 3) and different discharge ratios (0.5, 0.75, and 1) on the scouring volume was done along the flume.
Conclusion: The results of the study of the effect of miter gate opening rate ratio on volume and scour depth showed that in general, with increasing valve opening speed, scour volume increased and decreased, which was due to flow concentration for a longer time at lower opening speed and caused erosion. The depth was greater than the opening speed of the valve. The results showed that with increasing the opening speed of the valve, the erosion volume increased up to 17.3%, and also with increasing the opening speed of the valve, the erosion depth decreased to 23%. It should be noted that with increasing flow, both the depth and the volume of the erosion hole increased, the depth of erosion increased to 18% and the volume of the hole increased to 17%. Regarding the hydraulic head, the results showed that with increasing the hydraulic head, the erosion depth increased to 42% and the scour volume increased to 85%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • mitergate
  • scouring Volume
  • mitergate opening velocity ratio
  • discharge ratio
1.Chen, J., Tang, H., Li, Z., and Dai, W. 2010. Multi-approach analysis of maximum riverbed Scour depth above subway tunnel. Journal of Water Science and Engineering. 3: 4. 431-442.
2.Chepaikin, G.A. 1989. Hydraulic model studies of the  main  radial gates of  navigation of  locks. Translated from: Gidrotekhnicheskoe Stroitel'stvo. 8: 46-48.
3.Saz Ab Pardazan Co. Comprehensive Studies of Bahmanshir and Karun Shipping Dams2004. Khuzestan Water and Power Authority.
4.Espa, P., and Sibilla, S. 2014. Experimental Study of the Scour Regimes Downstream of an Apron for Intermediate Tail water Depth Conditions. Journal of Applied Fluid Mechanics. 7: 4. 611-624.
5.Estes, A.C., Frangopol, D.M., and Foltz, SD. 1997. A time-dependent reliability approach to the life cycle analysis of miter gates on locks and dams. ASCE Structures Congress and Exposition, Denver.
6.Hamidifar, H., Omid, M.H., and Nasrabadi, M. 2010. Localized scouring of the bed downstream of the sliding valve. Water and soil (agricultural sciences and industries). 24: 4. 728-736.
7.Hong-Zhi, W., and Zao-jian, Z. 2014. Numerical Prediction of Hydrodynamic Forces on A Ship Passing Through A Lock. China Ocean Eng. 28: 3. 421-432.
8.Lauth, T., Gordon, D., Rector, M., and Moeller, W. 2015. Scour and subsequent repair at lock & dam 25.
9.Markussen, J.V., and Wilhelms, S.C. 1987. Scour protectection for locks and dams 2-10 upper Mississippi river: Hydraulic Model Investigation. Department of the army Waterways Experiment Station, Corps of Engineers PO Box 631, Vicksburg, Mississippi. pp. 39180-0631.
10.Onipchenko, G.F. 1969. Lock gates for high heads. Gidrotekhnicheskoe Stroitel'stvo. 9: 29-32.
11.Studies of the master plan of irrigation and drainage network of Abadan and Khorramshahr Island. (1976). Khuzestan Water and Power Authority. pp. 85-174.
12.Thomas Gambucci, P.E. 2010. 2nd Joint Federal Interagency Conference, Las Vegas, NV. 309-320.
13.Verelst, K., Vandenbruwaene, W., and Peeters, P. 2015. Erosion and sedimentation near the renovated weir lock complexof Asper in Belgium. Scour and Erosion – Cheng, Draper & An (Eds)© 2015 Taylor & Francis Group, London. pp. 535-544.
14.Verma, D.V.S., and Arun, G. 2006. Scour downstream of a sluice gate. The Indian society for hydraulics journal of hydraulic engineering. pp. 57-65.