بررسي پروفيل سطح آب و آبشستگي پايين دست سرريز گابيوني V شكل در پلان

Investigation of flow profile and downstream scouring of V shape gabion weir (in plan)

سابقه و هدف: سرريز‌ها مهم‌ترين قسمت سازه‌هاي هيدروليكي ‌مي‌باشند كه جهت اندازه‌گيري جريان، كنترل سيلاب در مخازن و كنترل سطح آب در كانال‌هاي باز مورد استفاده قرار مي‌گيرند. استفاده از گزينه‌هاي جايگزين مانند سرريز‌هاي گابيوني به دليل سازگاري با طبيعت و نيازهاي اكولوژيكي ترجيح داده مي‌شوند. در اين سرريز‌ها مواد فيزيكي و شيميايي مانند رسوبات ريزدانه و مواد معلق آلي امكان عبور از منافذ به پايين‌دست را دارند و رسوب-گذاري پشت سازه را كاهش مي‌دهد. همچنين آشفتگي جريان درون منافذ امكان افزايش هوادهي جريان و منجر به پالايش آب رودخانه مي شود. يكي از عمده‌‌ترين مشكلات سازه‌‌هايي از قبيل سرريزها، دريچه‌‌ها و حوضچه‌‌هاي آرامش كه در بالادست بسترهاي فرسايش‌‌پذير قرار دارند، آبشستگي در مجاورت سازه است كه علاوه‌برتأثير مستقيم بر پايداري سازه، ممكن است باعث تغيير مشخصات جريان و درنتيجه تغيير در پارامترهاي طراحي سازه شود. هدف از اين پژوهش بررسي پروفيل‌هاي جريان عبوري از سرريز گابيوني Vشكل با زواياي مختلف رأس و آبشستگي پايين دست آنها مي‌باشد. مواد و روش‌‌ها: آزمايش‌هاي اين پژوهش روي مدل فيزيكي سرريز گابيوني با 4 زاويه رأس، 3 دانه‌بندي مصالح درون بدنه سرريز و 2 موقعيت قرار‌گيري رأس سرريز در بالادست جريان و پايين دست جريان و 4 دبي انجام شد. همچنين آزمايش‌هاي آبشستگي در 3 زاويه رأس سرريز، 2 دانه بندي مصالح بدنه و 2 حالت قرار‌گيري رأس در بالادست و پايين‌دست جريان و 3 دبي با بستر فرسايش پذير در كانالي به‌طول 12 متر، عرض و ارتفاع 0/6 متر مورد بررسي قرار گرفت. يافته‌‌ها: نتايج نشان داد با كاهش اندازه مصالح بدنه سرريز ، تراز آب بالادست افزايش و حداكثر عمق آبشستگي نيز افزايش مي‌يابد. همچنين با كاهش زاويه رأس به دليل افزايش طول سرريز تراز آب بالادست كاهش مي‌يابد و عمق آبشستگي در زاويه رأس 120درجه بيشتر از زاويه 150 درجه و بيشتر از زاويه 180 درجه مي باشد. الگوي آبشستگي با موقعيت قرارگيري رأس سرريز تغيير مي‌كند. در صورتي‌كه رأس سرريز در بالادست باشد يك حفره آبشستگي در وسط كانال و چنانچه رأس در پايين‌دست باشد 2 حفره آبشستگي در طرفين ايجاد مي‌گردد. نتيجه‌گيري: بسته به هدف استفاده از سرريز هر يك از حالت‌هاي قرارگيري رأس‌ سرريز گابيوني مي تواند مؤثر باشد. در صورتي‌كه هدف تأمين آب و افزايش تراز آب باشد سرريز با دانه‌بندي‌ ريز مفيد‌تر و اگر هدف كنترل انرژي جريان باشد دانه‌بندي درشت‌تر مفيد است. استفاده از سرريز Vشكل در كنترل فرسايش در كناره‌ها مي‌تواند مفيد باشد. استفاده از سرريزهاي V شكل به دليل داشتن طول بيشتر نرخ تغييرات تراز آب را با دبي كاهش مي‌دهد.

Background and Scope: Weirs are the most important portion of hydraulic structures utilized for flow measurement, flood control in reservoirs as well as water level control in open channels. Alternatives such as gabion weirs are recently preferred because of their adaptation to nature and ecological requirements. In latter weirs, physical and chemical materials such as sediments and organic suspensions could pass through the pores to the downstream and reduce sedimentation behind the structure. Turbulence in the pore can also increase flow aeration and lead to the treatment of river water. One of the major obstacles of structures such as weirs, valves, and stilling basins located upstream of erodible beds is scouring by the structure which not only directly affects the structure stability, it might alter the flow characteristics and consequently makes changes in their design. This purpose of study was to investigate the flow profiles of V-shaped gabion weir with different apex angles and their downstream scour. Materials and Methods: The experiments were carried out on a physical model of gabion weir with four vertex angles, three aggregates within the weir body, and two positions of the weir positioning upstream and downstream of the flow and four flow rates. Scour experiments were also conducted at three vertex angles, two grain sizes of weir body material, and two positions of locating vertices upstream and/or downstream of the flow and three discharges with erodible bed in a 12m long, 0.6m wide and 0.6m height channel. Results: The results indicated that thorough all vertex angles, upstream water level and maximum scour depth increased with increasing discharge and finer weir material grain size made both upstream water level and maximum scour depth arisen. Upstream water level also decreased by decreasing the vertex angle due to elongated weir length, the scouring was deeper at 120° vertex with respect to the scour depth at both 150° and 180° vertices. Scouring pattern is changed by weir apex location. Upstream weir apex induces one scouring hole at center of channel while downstream weir apex makes two holes in sides of channel. Conclusions: Depending on the weir purpose, each of the mounting modes of gabion weir could be effective. Weir with finer grains is more useful if the objective is water supply with increasing in water levels. Weir with coarser material is helpful if the purpose is to control the flow energy. A V-shaped weir can be useful to control erosion on the sides. Due to its elongated weir length, V-shaped weir reduces the rate of fluctuation of water level versus discharge.