مجله علوم و مهندسى ا بخيزدارى ايران Ira-Watershed Maagemet Sciece & Egieerig Vol. 6, No. 19, Fall &Witer 2012-2013 سال ششم- شماره 19- پاييز و زمستان 1391 19 سال ششم- شماره 19- پاييز و زمستان 1391 عامل هاى مو ثر بر ته نشست رسوب در محيط هاى متخلخل 2 محمد ملكنژاد يزدي 1 امير احمد دهقاني 2 االلهيار ناظمي 3 و مهدي مفتاح هلقي تاريخ دريافت: 89/08/05 تاريخ پذيرش: 91/06/14 چكيده سدهاي پاره سنگي به علت طبيعت نفوذپذير و توجيه اقتصادي به سبب تا مين مصالح مورد نياز در محل از جمله سازه هايي هستند كه براي تسكين و مهار سيلاب در حوضه هاي ا بريز مورد توجه زيادي قرار گرفته اند. براي طراحي صحيح اينگونه سدها علاوه بر شناخت هيدروليك جريان عبوري شناخت هيدروليك رسوب و مساي ل مربوط به ا ن ضروري است. در اين پژوهش به منظور شناسايي عوامل مو ثر در ته نشست رسوب در سد پاره سنگي و اراي ه رابطه اي براي تخمين ميزان ته نشست ا زمايشاتي بر روي مدل ا زمايشگاهي انجام شد. اين ا زمايشات در فلومي شيب پذير با در نظر گرفتن 3 شيب و تزريق 3 نوع رسوب با قطرهاى متفاوت و بهره گيري از 2 نوع محيط متخلخل ريز دانه و درشت دانه سد پاره سنگى انجام شد. علاوه بر اين تغيير نرخ تزريق رسوب نيز با استفاده از 3 نرخ مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد ميزان ته نشست رسوب با عامل هاي عدد رينولدز محيط متخلخل شيب بالا دست مسير نسبت اندازه ذرات و گراديان هيدروليكي محيط متخلخل نسبت معكوس دارد. همچنين افزايش نرخ تزريق رسوب باعث افزايش ضريب ته نشست شده تا جايي كه اين ضريب به ميزان ثابتي خواهد رسيد. در ضمن رابطه اراي ه شده با (73%= 2 R) قادر خواهد بود ضريب ته نشست را با بهره گيري از روابط نظرى بر ا ورد نمايد. كلمات كليدي: محيط متخلخل سد پاره سنگي ضريب ته نشست رسوب عدد رينولدز. مقدمه 1 -دانشجوي كارشناسي ارشد سازههاي ا بي دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي گرگان 2- نويسنده مسي ول و استاديار گروه مهندسى ا ب دانشگاه علوم كشاورزى و منابع email:a.dehghai@gau.ac.ir طبيعى گرگان Amirahmad.dehghai@gmail.com 3- دانشجوى دكترى مهندسى منابع ا ب دانشگاه يو پى ام مالزى علوم و مهندسى ا بخيزدارى ايران در چند سال اخير سدهاي پاره سنگي براي تسكين و مهار سيلاب در حوضه هاي ا بريز مورد توجه زيادي قرار گرفته است. عمر مفيد اين سدها بستگى كامل به ميزان رسوب ته نشين شده دارد. به همين علت بر ا ورد دقيق و چگونگى ترسيب رسوب ا ن ضرورى مى باشد. عدم شناخت ويژگى ها و رفتار رسوبى جريان و تا ثير ا ن بر بستر موجب شد خسارات قابل توجهى از نظر جانى و مالى پس از سيل 1380 در بالادست گرگانرود رخ دهد. چنانكه گابيون هاى احداث شده در سال اول با وقوع سيل 1381 از رسوب پر شده و جريان سيلاب توانست سنگ هايى با قطر 50 سانتى متر را به پايين دست منتقل كند [6]. نتايج پژوهش هاى انجام گرفته توسط محمد ولي ساماني و فرشاد [11] نشان مى دهد سدهاي نفوذپذير مي توانند جايگزين سدهاي نفوذ ناپذير شوند. در اين شرايط جريان طبيعي رودخانه قطع نمي شود و به علت تصفيه خودكار ا ب رودخانه زيست بوم محيط حفظ خواهد شد. به علت نفوذپذيري سدهاي پاره سنگي ارتفاع اين سدها نسبت به موارد مشابه نفوذ ناپذير(سدهاي خاكي و بتني) كوتاهتر شده و به حجم مخزن كمتري نياز خواهد بود. عامل فوق به همراه امكان مناسب تا مين مصالح مورد نياز از محل موجب شده تا سدهاي پاره سنگي داراي توجيه اقتصادي بيشتري باشند. بر اساس نظر صالحي و همكاران [10] رفتار جريان در اين محيط ها بدليل بزرگي اندازه ذرات و منافذ و بروز سرعت هاي بالا و ا شفتگي در جريان بسيار پيچيده مي باشد. از اين رو بر خلاف محيط هاي ريزدانه كه جريان در ا ن ورقه اي بوده و قانون دارسي معتبر است استفاده از قانون دارسي براي برا ورد عامل هاي مختلف جريان در محيط هاى درشت دانه داراي خطاي قبل توجه اي است. براي اين منظور به طور اصولى از روابط ديگري كه بيانگر يك ارتباط غيرخطي بين سرعت و گراديان هيدروليكي در اين نوع محيط ها بوده و به روابط غيردارسي معروف هستند استفاده مي شود. ساكتيواديول [9] اولين كسي بود كه حركت رسوبات را از درون محيط متخلخل با در نظر گرفتن اثرات نيروي جاذبه يا به عبارت ديگر وزن ذره مورد بررسي قرار داد. وي بيان داشت هنگامي كه محيط متخلخل در حالت افقي قرار دارد بيشتر رسوبات تزريقي به وسيله نيروي وزن تمايل به ته نشيني داشته و بقيه به همراه جريان حمل مي شوند. در اين حالت در اثر ته نشيني متوالي ذرات رسوبي در منافذ بستري از جنس مواد رسوبي تشكيل مي شود. در اين شرايط ذرات رسوبي همانند حركت بار بستر در كانال هاي باز روي اين بستر حركت مي كنند. با ادامه ته نشست رسوبات بدليل
كاهش سطح مقطع مفيد جريان و نيز ثابت بودن دبي سرعت جريان افزايش يافته كه اين افزايش سرعت باعث حركت رسوبات مىشود. ضخامت لايه بستر تحت تا ثير عواملي مانند سرعت جريان تخلخل محيط اندازه شكل و وزن مخصوص ذرات ميباشد. كانينگهام و همكاران [4] با انجام ا زمايشاتي بر روي مصالح رودخانه در فلومي بهطول 7/6 متر كه جريان از درون و روي مصالح عبور ميكرد گرفتگي در اثر رسوبگذاري درون و روي مصالح بستر غير متحرك را بررسي كردند. جوي و همكاران [8] انتقال رسوبات را از داخل محيط متخلخل در شرايط جريان متلاطم مورد بررسي قرار دادند. ا زمايشات در نمونهاي از محيط متخلخل به طول 600 ميلىمتر عرض 279 ميلىمتر و ارتفاع 300 ميلىمتر و در يك فلوم شيبپذير انجام گرفته است. اين پژوهشگران با استفاده از اصول تحليل ابعادي چهار پارامتر بدون بعد استخراج كردند و با انجام ا زمايشها رابطه (1) را اراي ه دادند: 0.54 (1) λ q* = 26.2 1.23 1.39 Re. S p S p شيب بالادست كه در ا ن q عامل بدون بعد انتقال رسوب * مسير و λ نسبت اندازه ذرات محيط متخلخل به ذرات رسوب بوده كه مطابق پژوهشهاى صورت گرفته توسط ساكتيواديول [9] اگر d d s اندازه ذرات رسوبي اندازه ذرات تشكيلدهنده محيط متخلخل و باشد نسبت اين دو عامل اندازه ذرات محيط ناميده مىشود: (2) = d d s d s كه d قطر متوسط سنگدانههاي محيط متخلخل(سانتىمتر) و قطر متوسط رسوبات(سانتىمتر) است. همچنين Re عدد رينولدز محيط متخلخل بوده كه مطابق مطالعات صورت گرفته توسط فلتون و هررا [7] ايشان رابطه (3) را براي محاسبه عدد رينولدز در سدهاي پارهسنگي ارايه نمودند: ( d σ ) V (3) Re = ν در رابطه( 3 ) d قطر متوسط سنگدانهها(متر) σ انحراف معيار سنگدانهها(متر) ν لزجت سينماتيكي سيال(مترمكعب بر ثانيه) V سرعت جريان در محيط متخلخل(متر بر ثانيه)و تخلخل محيط سنگدانهاي است. ايشان همچنين پس از انجام ا زمايشهاي مختلف بر روي محيطهاي سنگدانهاي رابطه( 4 ) را براي محاسبه سرعت جريان در محيط متخلخل پارهسنگي پيشنهاد كردند: Q (4) V = ΔH. W كه Q دبي جريان(مترمكعب برثانيه) ΔH ميانگين ارتفاع ا ب درون محيط متخلخل(متر) W عرض محيط متخلخل(متر) است. چان وو[ 13 و 14 ] در پژوهش هاى گسترده اي كه در بين سال هاي 1993 تا 2000 انجام داد مقاومت هيدروليكي كه در اثر توزيع رسوب به صورت ناگهاني درون محيط متخلخل ايجاد مي شود را مورد بررسي قرار داد. نتايج اين ا زمايش اراي ه روابطي بهمنظور بررسي تغييرات هدايت هيدروليكي در محيط متخلخل در اثر توزيع ناگهاني رسوب بوده است. عمادي و همكاران [5] به بررسي حركت رسوبات غير چسبنده در محيط متخلخل درشتدانه پرداختند. اين ا زمايشات در فلومي بهطول 10 متر و عرض و ارتفاع 30 سانتىمتر انجام شد. ا زمايشات در محدودهى عدد رينولدز 1000 تا 4000 انجام گرفت. اين پژوهشگران پس از انجام ا زمايشاتى روابطي بهمنظور محاسبه گراديان هيدروليكي بحراني و همچنين تعيين ميزان انتقال رسوب در محيط متخلخل درشتدانه بهصورت روابط (5) و (6) اراي ه نمودند: 4.699 (5) ic = 1.667( Gs 1). g. ds.(cosθ. tgφ siθ ) Q Qc 0.6236 qs = 0.0461. s. d s ( ) Qc (6) G s چگالي نسبي ذرات رسوب i c گراديان هيدروليكي بحراني كه g شتاب ثقل زمين(متر بر مجذور ثانيه) d قطر ذرات رسوبي(متر) s θ زاويه شيب كف نسبت به افق φ زاويه ايستايي رسوبات در q s ميزان انتقال رسوب(كيلوگرم داخل محيط متخلخل سنگدانهاي s چگالي ذرات رسوب(كيلوگرم بر متر مكعب) بر متر بر ثانيه) ρ Q c دبي بحراني(مترمكعب بر Q دبي جريان (مترمكعب بر ثانيه) و ثانيه) است. براي يك بستر مشخص شالشلي[ 12 ] متغيرهايي چون شرايط جريان بار معلق توزيع دانهبندي رسوب و شكل ذرات معلق گراديان هيدروليكي جريان نشتي را بر فرا يند گرفتگي تاثيرگذار دانسته است. بررسي هاي انجام شده نشان ميدهد كه تاكنون مطالعاتي در زمينه تلهاندازي رسوبات در سدهاي مخزني توسط پژوهشگران مختلف صورت گرفته است. ا رمانيني[ 2 ] در تحقيق خود رابطهاي بين بازشدگي دهانه ويژگىهاى رسوب نوع رودخانه كوهستاني دبي ا ب و رسوب در شرايط ماندگار بدست ا ورده است. مطالعات ا د و همكاران[ 1 ] در خصوص ته نشست رسوبات در محيط متخلخل نشان ميدهد كه جريان نشتي در داخل تابعي از نفوذپذيري و هد هيدروليكي متغيري است كه در نتيجه اختلاف تراز ا ب در طول محيط متخلخل ايجاد ميشود. فرا يند ته نشست رسوبات در شن با تهنشست رسوبات در محيط پارهسنگي متفاوت بوده به نحوي كه در محيط شني رسوبات معلق با فرا يند فيلتراسيون به تله ميافتند در حاليكه در محيط پارهسنگي ته نشست رسوبات در نتيجه سقوط ذرات معلق رخ ميدهد. نتايج مطالعات كاتلا به نقل از بني حبيب و بنىطالبي[ 3 ] در يكي از ايالتهاي ايتاليا درباره سري سدهاي شكافدار كه در ا ن منطقه ساخته شده است منجر به اراي ه رابطهاي براي برا ورد مقدار رسوب تجمع يافته پشت سد گرديد. بني حبيب و بهرام به نقل از بني حبيب و بنىطالبى [3] رابطهاي تجربي جهت برا ورد ضريب تلهاندازي در سدهاي شكافدار اراي ه داده و در ا ن ضريب تلهاندازي را تابعي از 20
(7) عرض ا براهه عرض شكاف سد و قطر متوسط ذرات رسوب معرفي كردند: 0.5277 0.8249 0.8347 0.1882 V B d50 TE = s V f b b V s حجم مخزن سد شكاف دار در تراز كه TE ضريب تله اندازي V f حجم كل سيلاب (متر مكعب) B عرض حداكثر(متر مكعب) d 50 قطر ذرات رسوب(متر) ا براهه(متر) b عرض شكاف(متر) و است. از ا نجا كه عملكرد صحيح سازه هاي پاره سنگي در هنگام سيلاب مي تواند خطرات ناشي از وقوع ا ن را تا حد زيادي كاهش دهد طراحي صحيح اين سازه ها از اهميت ويژه اي برخوردار است. با توجه به اينكه تاكنون پژوهشى در زمينه ميزان ته نشست رسوب در سدهاي پاره سنگي صورت نگرفته است لذا انجام ا زمايش هايى در اين زمينه ضروري به نظر مي رسد. هدف از اين پژوهش بررسي ته نشست رسوبات در سدهاي پاره سنگي و شناسايي عامل هاي مو ثر بر اين پديده مي باشد لذا با ساخت مدلي ا زمايشگاهي و انجام ا زمايشات در شرايط مختلف ته نشست رسوب در سدهاي پاره سنگي با استفاده از دو محيط متخلخل سنگ دانه اي ريز دانه و درشت دانه مورد بررسي و تجزيه تحليل قرار گرفت. همچنين به كمك داده هاي برداشت شده در شرايط فوق رابطه بدون بعدي جهت برا ورد ميزان ته نشست رسوبات در سدهاي پاره سنگي ارايه شده است. ا زمايش ها اين مرحله با تغيير شيب كف كانال در 3 اندازه انجام شده است. علاوه بر اين به كمك دستگاه تزريق رسوب طراحي شده براي مدل ا زمايشاتي با تغيير نرخ تزريق رسوب انجام و اثر تغيير نرخ تزريق رسوب بر ميزان ته نشست رسوبات مورد بررسي قرار گرفت. مواد و روشها 1- تحليل ابعادي با بكارگيري متغيرهاي هيدروليكي و هندسي مو ثر بر ته نشست رسوب ميتوان رابطهاي جهت برا ورد اين عامل بدست ا ورد. بدين منظور ابتدا با بكارگيري تحليل ابعادي متغيرهاي بدون بعد مو ثر بر ته نشست رسوب در محيط متخلخل مشخص و سپس به بررسي چگونگي تا ثير ا نها پرداخته ميشود. محاسبه ضريب ته نشست در هر ا زمايش و همچنين مقادير اندازهگيري شده عاملهاي هيدروليكي امكان برا ورد ضريب ته نشست رسوب با استفاده از روابط نظرى را فراهم ميكند. در جريان حاوي رسوب مجموع عاملهاي بيبعدي كه در تحليلهاي صورت گرفته مو ثر شناخته ميشوند به شرح زير است فلتون و هررا [7]: Γs = f (Re, S,, i) (8) در رابطه (8) Re عدد رينولدز محيط متخلخل S شيب بالادست مسير λ نسبت اندازه ذرات محيط متخلخل و i عبارتاست از گراديان هيدروليكي محيط متخلخل كه از رابطه زير محاسبه ميشود: ΔH (9) i = L كه ΔH اختلاف عمق جريان در بالا دست و پايين دست محيط متخلخل(سانتى متر) و L طول محيط متخلخل(سانتى متر) مي باشد. در ضمن در رابطه (5) عامل S بيانگر شيب مسير بالادست محيط متخلخل مي باشد. 2- نحوه محاسبه ضريب ته نشست بطور كلي ميزان ته نشست رسوب در محيط متخلخل پارهسنگي تابعي از غلظت بار رسوبي جريان است. با توجه به ظرفيت حمل رسوب محيط متخلخل تا زمانيكه غلظت بار رسوبي جريان كمتر از ظرفيت حمل رسوب محيط متخلخل باشد تمام رسوب وارد شده به محيط متخلخل از ا ن خارج شده و در عمل هيچگونه ته نشستي در داخل بدنه نخواهيم داشت. با در نظر گرفتن اين مطلب در ابتداي ا زمايشها با توجه به ميزان رسوب تزريقي توسط دستگاه مشاهده ميشد بهدليل غلظت كم رسوب تزريقي به سامانه هيچگونه رسوبي در بالادست و داخل بدنه سد باقي نمانده و تمام رسوب از داخل بدنه خارج ميشود. لذا با تغييراتي در محور استوانهاي دستگاه موفق به تا مين رسوب مورد نياز محيط متخلخل شده و مشاهده شد پس از اعمال اين تغييرات و تزريق رسوب به جريان در بالادست پاييندست و داخل بدنه شاهد تجمع رسوب بوده كه اين امر تا مين رسوب مورد نياز محيط متخلخل را نشان ميداد. براي بررسي تغييرات ضريب ته نشست رسوب در سد پارهسنگي s بصورت رابطه (10) استفاده شده است بني از نسبت بدون بعد Г حبيب و بنيطالبى: [3] T (10) كه در ا ن: (11) i Γs = Tu WT ( Wup + Wdow ) Ti = t WT Wup Tu = t (12) T i نرخ رسوب گذاري در محيط متخلخل(كيلوگرم بر ثانيه) كه T u نرخ رسوب وارد شده به محيط متخلخل(كيلوگرم بر ثانيه) W up وزن W T وزن كل رسوب تزريقي به جريان(كيلوگرم) W dow وزن رسوب مانده در رسوب مانده در بالادست(كيلوگرم) پايين دست(كيلوگرم) t مدت زمان تزريق رسوب(ثانيه) است. 3- مدل ا زمايشگاهي براي ساخت مدل از فلومي با طول 12 متر عرض و ارتفاع 60 سانتى متر استفاده گرديد. ديواره و كف اين فلوم از جنس پلكسي 21
گلاس بوده كه امكان مشاهده جريان را فراهم مي نمود. به منظور ايجاد محيط متخلخل پاره سنگي از محفظه اى به طول 80 سانتى متر عرض و ارتفاع 60 سانتى متر كه از ورقه هاي مشبك فلزي ساخته شده بود استفاده گرديد. همچنين براي جابجايي مدل سد و شستشوي ا ن پس از انجام هر ا زمايش از بالابري با توان حمل 600 كيلوگرم بار كه در سقف ا زمايشگاه تعبيه شده استفاده گرديد. به منظور قراي ت نيمرخ سطح ا ب نيز در داخل بدنه و طرفين سد پاره سنگي تعداد 15 عدد پيزومتر به فواصل 6 سانتى متري در زير بدنه سد تعبيه شد تا بتوان در حين انجام ا زمايش پروفيل سطح ا ب را برداشت نمود. به منظور تا مين ا ب مورد نياز براي مدل ا زمايشگاهي از يك تانك زيرزميني به حجم 12 مترمكعب استفاده گرديد. ا ب اين مخزن بوسيله يك لوله 2 اينچي و با استفاده از يك دستگاه پمپ سانتريفيوژ با الكتروموتوري به قدرت 20 كيلووات به مخزن موجود در بالادست كانال منتقل و دبى هايي از 1 تا 35 ليتر بر ثانيه تامين شد. به منظور قراي ت دبي از يك دستگاه دبي سنج حجمي با دقت 0/1 ليتر بر ثانيه كه بر روي لوله رانش پمپ و در فاصله مناسب نصب شده است استفاده شد. وجود محفظه ا هنى سبب شد تا محيط متخلخل پاره سنگي شكل ظاهري و ا رايش خود را در تمام ا زمايشات حفظ نمايد. در شكل (1) نمايي از مدل مورد استفاده مشاهده مي شود. به منظور بررسي رفتار جريان داراي بار رسوب در سدهاي پاره سنگي نياز به ايجاد جريان حاوي رسوب با نرخ تزريق مشخص مي باشد. در اين پژوهش از يك دستگاه تزريق رسوب كه در بالادست سد قرار مي گرفت استفاده شد. اين دستگاه داراي سه قسمت مخزن تغذيه رسوب محور استوانه اي جهت تزريق رسوب و موتور الكتريكي با دور حركت متغير جهت تنظيم نرخ تزريق رسوب مي باشد. براي تنظيم سطح ا ب در پايين دست سازه و تا مين استغراق مورد نظر جهت انجام ا زمايشات دريچه پروانه اى در انتهاي فلوم ساخته شد. همچنين براي جمع ا وري رسوبات عبوري در پايان هر ا زمايش فيلتر توري پس از دريچه قرار گرفت تا بتوان پس از انجام هر ا زمايش رسوب عبوري را جمع و توزين نمود. به منظور قراي ت دبي از يك دستگاه فلومتر با دقت 0/1 ليتر بر ثانيه كه در ايستگاه پمپاژ قرار داشت استفاده و دبي هاي مورد نظر با شيرفلكه موجود بر روي لوله رانش پمپ تنظيم مي گرديد. در اين مرحله براي تنظيم فلوم در شيب مورد نظر از يك دستگاه جك هيدروليك كه در ابتداي فلوم قرار داشته و توانايي تا مين شيب هاي مورد نظر را دارا بود استفاده شد. مواد محيط متخلخل از مصالح رودخانه اي موجود در معدن سنگ شكني واقع در 10 كيلومتري گرگان تهيه گرديد. پس از دانه بندي مصالح دو محيط سنگ دانه اي با قطر متوسط 5 سانتى متر و 12 سانتى متر ا ماده شد تا بتوان اثر اندازه ذرات محيط بر ته نشست رسوب را بررسي كرد. براي تهيه مصالح مطابق مطالعات انجام گرفته توسط فلتون و هررا [7] مطابق رابطه ي (13) و (14) قطر متوسط سنگ دانه ها و انحراف معيار سنگ دانه ها در محيط متخلخل محاسبه شدند: di Wi i= 1 d = Wi i= 1 = i= 1 2 ( d d ) i= 1 1/ 2 i wi wi (13) (14) كه d قطر متوسط سنگدانهها(سانتىمتر) σ انحراف معيار (سانتىمتر) d متوسط قطرi امين سايز سنگها كه بين دو الك باقي i ميماند و مقدار ا ن با متوسطگيري بين قطر سوراخهاي دو الك به شكل 1- نمايي از مدل طراحي شده سد پاره سنگى در ا زمايشگاه 22
w i درصد وزني i امين اندازه سنگ ها سانتى متر بدست مي ا يد و است. با توجه به اينكه در كليه پژوهش هاى صورت گرفته قبلى ا زمايشات فقط بر روى محيط هايي با قطر متوسط كمتر از 5 سانتى متر انجام شده است. در اين پژوهش از محيط هايي با قطر متوسط 5 و 12 سانتى متر با انحراف معيار 2 سانتى متر استفاده شد تا ا زمايشات انجام شده علاوه بر متفاوت بودن با كارهاى قبلي در مقياسى نزديك به واقعيت انجام پذيرد. براى تهيه دو محيط متخلخل ريز دانه و درشت دانه با استفاده از روابط (13) و (14) سنگ دانه هايي با مشخصات (جدول شماره 1) تهيه شدند. به منظور تزريق رسوب به جريان از دو نوع رسوب با دانه بندي متفاوت كه در كارخانه توليد ماسه صنعتي واقع در 5 كيلومتري فيروزكوه تهيه شده است استفاده شد. براي بدست ا وردن دانه هاي رسوب يكنواخت از الك هاي استاندارد ASTM با شماره هاي 35 25 18 و 45 استفاده شد. رسوبات باقي مانده روي الك هاي استاندارد 35 25 و 45 به عنوان رسوبات مورد نظر استفاده شدند. قطر ميانگين اين رسوبات 0/6 0/4 و 0/8 ميلى متر بودند. براي اطمينان از غيرچسبنده بودن رسوبات مصالح الك شده يك بار با ا ب شسته شدند تا از عدم وجود سيلت و رس در ا نها اطمينان حاصل شود. با توجه به حداكثر زمان انجام ا زمايش و محاسبات مربوط به دور موتور الكتريكي دستگاه تزريق رسوب براي هر ا زمايش مقدار 20 كيلوگرم از رسوب مورد نظر در مخزن دستگاه ياد شده ريخته شد. مشاهدات نشان مي داد ميزان رسوب تزريقي جهت ايجاد جريان حاوي رسوب كافي بوده و سامانه تا زمان برقراري تعادل نسبي در جريان عبوري از محيط متخلخل با كمبود رسوب مواجه نخواهد شد. تمامي ا زمايش ها در سه شيب 0/01 0/005 0/001 انجام و تغييرات دبي جريان در تمامي ا زمايش ها از 6/5 ليتر بر ثانيه تا 30 ليتر بر ثانيه در نظر گرفته شد. با توجه به وجود دو محيط متخلخل ريزدانه و درشت دانه مشاهده گرديد به دليل ايجاد مقاومت بالاي محيط ريزدانه در برابر جريان عبوري در برخي از دبي ها جريان از روي سد پاره سنگي سرريز مي شد. بنابراين دبى هاي مورد نظر براي انجام ا زمايش ها به نحوى انتخاب شد كه جريان از روى سد سرريز نكند. 4- روش انجام ا زمايش ها شيب فلوم براي هر محيط متخلخل(ريز دانه يا درشت دانه) در سه محدوده مورد نظر تنظيم گرديد. در هر مرحله رسوب مورد نظر در مخزن تغذيه رسوب دستگاه تزريق ريخته شد. با شروع به كار پمپ و برقراري جريان در فلوم استغراق پايين دست سد پاره سنگي با استفاده از دريچه پروانه اى انتهاي فلوم تا مين و پس از به تعادل رسيدن جريان عمق ا ب در داخل بالادست و پايين دست سد با استفاده از پيزومترهاي تعبيه شده قراي ت گرديد. در اين مرحله توسط دستگاه ياد شده رسوب موجود در مخزن به سامانه تزريق شد. براي جلوگيري از فرار رسوب تله اندازي شده در بدنه ي سد با استفاده از دريچه ي پروانه اي انتهاي كانال عمق ا ب پايين دست تا جايي بالا ا ورده شد كه ارتفاع ا ب در طرفين سد پاره سنگي برابر شوند. در اين حالت هيچ گونه رسوبي در داخل محيط پاره سنگي حركت نخواهد كرد. پس از جمع ا وري كامل رسوب در بالادست و پايين دست بدنه بار ديگر پمپ شروع به كار كرده و تمامي رسوب موجود در بدنه سد را شسته و به پايين دست انتقال مي دهد. با جمع ا وري رسوب اين مرحله ا زمايش به پايان مي رسد. رسوب هر قسمت به تفكيك در ا ون با دماي 250 درجه سانتيگراد قرار گرفته و پس از اطمينان از خشك شدن توزين مي شدند. در اين پژوهش با دارا بودن 2 نوع محيط متخلخل 3 شيب 3 نوع رسوب و 4 دبي اعمالي به سامانه در مجموع 72 ا زمايش صورت پذيرفت. همچنين به منظور مشاهده تا ثير تغيير ميزان تزريق رسوب بر ته نشست رسوبات در سد پاره سنگي براي هر محيط متخلخل نوع محيط متخلخل ريزدانه جمع كل(كيلوگرم) 550 350 جدول 1- مشخصات محيطهاي متخلخل سنگدانهاي وزن سنگدانه (كيلوگرم) قطر سنگدانه (سانتىمتر) 2/75 157 4 60 6 150 8 91 9 80/5 11 63 13 157/5 15 40 درشتدانه 23
با توجه به توانايي دستگاه 3 ميزان تزريق رسوب در شيب و دبي ثابت نيز در نظر گرفته شد كه براي هر محيط متخلخل 18 ا زمايش و در مجموع 36 ا زمايش ديگر نيز با تغيير ميزان تزريق رسوب انجام شد. نتايج و بحث 1- بررسي زماني تا ثير ميزان تزريق رسوب بر ضريب ته نشست رسوب در اين قسمت از پژوهش با انجام ا زمايشاتي نتايج مربوط به ضريب ته نشست رسوب بر اساس زمان تزريق رسوب در دو محيط ريز دانه و درشت دانه مورد بررسي قرار گرفت. به اين منظور ا زمايشات با تنظيم دور موتور الكتريكي دستگاه در سه مرحله حداكثر متوسط و حداقل تنظيم گرديد. در هر مرحله مخزن رسوب دستگاه با وزن هاي 25 20 18 15 10 و 28 كيلوگرم توسط رسوب با قطر متوسط 0/8 ميلى متر پر و ا زمايشات انجام شد. شيب فلوم در اين ا زمايشات ثابت و برابر با 0/001 در نظر گرفته شد. زمان تخليه مخزن تغذيه رسوب با توجه به دور چرخش محور استوانه اي و مقدار رسوب موجود در جدول( 2 ) ارايه شده است. در شكل( 2 ) ضريب ته نشست رسوب در برابر زمان ترسيم شده است: همانطور كه ملاحظه مي شود با افزايش زمان تزريق رسوب از ميزان ته نشست كاسته شده و شيب تغييرات كاهش مي يابد. لازم به ذكر است كه به طور تقريب در هر سه ميزان تزريق رسوب روندي مشابه اتفاق مي افتد. همچنين در هر ميزان تزريق رسوب پس از ثانيه 140 ضريب ته نشست به عدد ثابتى ميل مى كند. بررسي بيشتر در زمينه وقوع چنين پديده اي مشخص كرد در ابتدا به دليل كم بودن رسوب تزريقي به محيط متخلخل رسوب فرصت كافي براي عبور از داخل محيط را نداشته و به تله خواهند افتاد. به عبارت ديگر قبل از ا نكه رسوب خود را به انتهاي محيط متخلخل برسانند به علت پايان يافتن رسوب تزريقي تمامي ا نها در داخل محيط محبوس شده و لذا ضريب ته نشست حداكثر خود را دارا است. با افزايش زمان تزريق رفته رفته رسوب در داخل بدنه به تله افتاده و خلل و فرج محيط متخلخل را اشغال مي كنند. رسوبي كه بعد جدول 2- مدت زمان تغذيه رسوب جريان در هر ميزان تزريق رسوب نرخ تزريق رسوب (kg/s) وزن رسوب (kg) زمان تزريق رسوب (s) شكل 2- بررسي تغييرات ضريب ته نشست در برابر زمان تزريق رسوب در الف. محيط متخلخل درشت دانه و ب. محيط متخلخل ريز دانه 66 10 0/15 100 15 120 18 133 20 166 25 186 28 76 10 0/13 115 15 138 18 153 20 192 25 215 28 90 10 0/11 136 15 163 18 181 20 227 25 254 28 24
از اين حالت وارد محيط متخلخل مي شوند به علت نبود فضاي كافي براي ماندن در محيط متخلخل به ناچار به خارج از ا ن رفته و اين اتفاق موجب روند كاهشي ضريب ته نشست خواهد شد. اين روند كاهشي تا جايي ادامه پيدا خواهد كرد كه تمامي خلل و فرج محيط متخلخل توسط رسوب اشغال شده و از ا نجا به بعد ديگر اين محيط توانايي تله اندازي رسوبات را نداشته و لذا ساير رسوب تزريقي را به بيرون هدايت مي كند. برداشت هاي ا زمايشگاهي نشان داد پس از گذشت 140 ثانيه از تزريق رسوب به جريان به طور تقريب 20 كيلوگرم رسوب تزريق شده است. با مقايسه نمودارهاي شكل (2) مشاهده مي شود در محيط متخلخل ريز دانه به علت تراكم محيط و فضاي خالي كوچكتر رسوبات در محيط ريز دانه ا زادي حركت كمتري داشته و لذا ته نشست ا نها با الگوي منظم تري انجام مى شود. 2- بررسي عامل هاي مو ثر بر ضريب ته نشست رسوب 1-2 -تا ثير عدد رينولدز( Re ) مشاهدات نشان داد افزايش عدد رينولدز سبب كاهش ضريب ته نشست مي شود زيرا افزايش دبي افزايش سرعت را در پي داشته شكل 3- تغييرات ضريب ته نشست رسوب در محيط متخلخل ريز دانه شكل 4- تغييرات ضريب ته نشست رسوب در محيط متخلخل درشت دانه 25
و مومنتم حركت رسوبات درون محيط متخلخل افزايش يافته لذا رسوب كمتري در داخل بدنه مانده و ضريب ته نشست كاهش پيدا مي كند. همانگونه كه از شكل هاي (3) و (4) مشخص است اين روند در هر دو محيط متخلخل ريز دانه و درشت دانه مشاهده مي شود. 2-2 تا ثير شيب بالا دست (S) مطابق مطالعات صورت گرفته توسط ساكتيواديول[ 9 ] هنگامي كه محيط متخلخل در حالت افقي قرار دارد بيشتر رسوبات به وسيله نيروي وزن تمايل به ته نشيني دارند و بقيه به همراه جريان حمل مي شوند. مشاهدات ا زمايشگاهي نشان داد تغيير شيب بالا دست مسير با ميزان ضريب ته نشست رابطه معكوس نشان مي دهد. در شيب 0/001 به دليل نزديك بودن شيب به حالت افقي بيشترين ميزان رسوب در داخل بدنه به تله افتاده و با افزايش شيب از 0/001 به 0/005 و از 0/005 به 0/01 كاهش ضريب ته نشست مشاهده شد. همانگونه كه در نمودارهاي شكل( 5 ) مشاهده مي شود در يك محدوده عدد رينولدز ثابت با افزايش شيب ميزان ضريب ته نشست كاهش مي يابد. 3-2 تا ثير نسبت اندازه ذرات( λ ) بررسى تا ثير نسبت اندازه ذرات نشان داد در هر دو محيط متخلخل درشت دانه و ريز دانه با افزايش λ ميزان ته نشست رسوب كاهش پيدا مى كند. بررسي علت وقوع چنين پديده اي نشان داد قرار گرفتن سنگ دانه ها برروي يكديگر باعث شكست خطوط جريان در محيط متخلخل شده و منجر به تشكيل گردابه 1 هايي در اطراف سنگ دانه ها مي شود. در محيط ريز دانه كه داراى λ كوچكترى نسبت به محيط درشت دانه مى باشد به دليل تراكم بيشتر سنگ دانه ها و ايجاد خلل و فرج ريزتر گردابه هاي تشكيل شده در اطراف سنگ دانه ها قدرت به مراتب بالاتري نسبت به گردابه هاي ايجاد شده در محيط درشت دانه در به تله انداختن رسوب خواهند داشت وبه همين دليل شكل 6- مقايسه ضريب ته نشست مشاهداتي ومحاسباتي براي %80 داده ها 1- Vortex شكل 5- بررسي تا ثير شيب در ضريب ته نشست رسوب در: الف. محيط متخلخل درشت دانه( 10000<RE<11000 ) ب.محيط متخلخل ريز دانه( 3000<RE<3500 ) شكل 7- نمودار مقايسه مقادير مشاهداتي و محاسباتي ضريب ته نشست براي داده هاي ا زمون 26
در شرايط مشابه از نظر شيب بالا دست مسير محيط ريز دانه داراي ضريب ته نشست بالاتري نسبت به محيط درشت دانه مي باشد. همانگونه كه از نمودارهاي شكل( 5 ) مشاهده مي شود به عنوان مثال در شيب 0/01 افزايش λ از 150 به 300 سبب كاهش ضريب ته نشست شده است. اين روند در محيط ريز دانه هم مشاهده مي شود. 3- ارايه رابطه تجربي براي ضريب تهنشست: با استفاده از دادههاى ا زمايشگاهي و روش رياضي برازش ميتوان رابطهاي جهت محاسبه ضريب تهنشست رسوبات در سدهاي پارهسنگي ارايه كرد. بهمنظور بررسي توا م عوامل مو ثر بر روند تغييرات ضريب تهنشست با استفاده از نرمافزار Excel Microsoft Office 2007 همبستگى چند متغيره صورت گرفت. عواملي كه به عنوان متغير مستقل در معادله برازش استفاده ميشوند بايد متغيرهاي هيدروليكي و هندسي را در برگيرند اين متغيرهاي مستقل شامل كليه متغيرهاي بيبعد اشاره شده به روش تحليل ابعادي ميباشند. در اين مطالعه بهمنظور دستيابي به بهترين رابطه براي محاسبه ضريب تهنشست رسوب دادههاي موجود به دو دسته تقسيم شدند. از %80 دادهها براي محاسبات مربوط به همبستگى چند متغيره استفاده شد و %20 باقيمانده بهعنوان دادههاي ا زمون مورد استفاده قرار گرفتند. اين دستهبندي بصورت به طور كامل تصادفي انجام شد. بهترين رابطه براي محاسبه ضريب تهنشست رسوب بصورت غير خطي با ضريب تبيين (73%= 2 R) بصورت زير بدست ا مد: 1.5098 (15) Γs = 0.4027 0.2377 Re S 0.8657 1.3317 i λ نتايج حاصل از داده هاى دسته ا زمون در شكل شماره( 6 ) ا ورده شده است. بر اساس اين شكل مقدار 0/7374= 2 R بوده كه قرار گيري داده ها در سطح اطمينان %95 حاكي از انطباق خوب بين مقادير ضريب تله اندازي رسوب از رابطه مذكور با مقادير ا زمايشگاهي مي باشد. به منظور مقايسه نتايج حاصل از رابطه اراي ه شده %20 باقي مانده داده ها براي ا زمون رابطه مورد استفاده قرار گرفت. براي اين منظور ضريب ته نشست اين داده ها ابتدا به كمك رابطه (15) محاسبه و سپس با مشاهدات ا زمايشگاهي مقايسه شدند. در ادامه با استفاده از رابطه( 16 ) جذر ميانگين مربعات خطا محاسبه و در شكل (7) نشان داده شده است. در اين مطالعه فرا يند ته نشست رسوبات در سدهاي پاره سنگي با توجه به طبيعت نفوذپذير اين سدها و توانايي عبوردادن جريان از داخل بدنه مورد مطالعه قرار گرفت. از تجزيه و تحليل مشاهدات و برداشت هاي ا زمايشگاهي اين پژوهش نتايج زير استخراج مي شود: 1- با افزايش نرخ تزريق رسوب ته نشست رسوب روند افزايشي از خود نشان مي دهد. 2- در هر نرخ تزريق رسوب ثابت با افزايش ميزان رسوب تزريقي به جريان ضريب ته نشست رفته رفته كاهش يافته و به عدد ثابتي خواهد رسيد. 3- بطور كلي با افزايش عدد رينولدز محيط متخلخل از ميزان ضريب ته نشست كاسته مي شود. 4- محيط ريز دانه توانايي بيشتري در ته نشست رسوب نسبت به محيط درشت دانه از خود نشان مي دهد. 5 -رابطه ي (15) نشان مي دهد از بين عوامل مو ثر در ته نشست رسوب در سازه هاي پاره سنگي گراديان هيدروليكي بيشترين تا ثير را بر ميزان ته نشست رسوب خواهد داشت كه با نتايج ا د و همكاران [ 1 ] مطابقت دارد. منابع 1-Ade, F., Log, D., Savatsky, L., ad Wu, S. 2001. Laboratory Testig of Sedimet Trap Efficiecy of Seepage Flow through Rockfill Dike Bridgig the Gap. Meetig the World s Water ad Evirometal Resources Challeges May 20, ASCE,111-186. 2-Armaii, A., ad Larcher, M. 2001. Ratioal Criterio for Desigig of Slit Check dam. Joural of Hydraulic Egieerig. ASCE, 172(2):94-104. 3-Baihabib, M., Baitalebi, M. 2010. A Empirical Equatio for Estimatig the Trapped Efficiecy i Case of Slit Dams. 8 th Iteratioal River Egieerig Coferece. Shahid Chamra Uiversity. 4-Cuigham, A, B., Aderso, C, J., ad Bower, H.1987, Effect of Sedimet- Lade low o Chael bed Cloggig. Joural of Irrigatio ad Draiage, 113(1): 106-118. 5-Emadi, A. 2002. The Simulatio Of No-Cohesive Sedimet Trasport i Detetio Rockfill. Thesis For M.Sc I Water Structure. Tarbiat Modarres Uiversity.P:100. 6-Esmaili, K., Shafaie Bajesta ad Kashefipour S., M. 2007. Experimetal Ivestigatio of the Effective Parameters o Sedimet Trasport uder Flash Flood. Ira- Watershed Maagemet Sciece ad Egieerig Joural. 1(2):3-10. (I Persia). 7-Herrera, N, M. ad Felto, G. K.1991. Hydraulic of 2 ( po pm) RMSE = i= 1 (16) در اين رابطه p مقدار مشاهداتي p مقدار محاسباتي و m o تعداد دادهها ميباشند. نتيجهگيري 27
Sedimet Trasport Capacity i Detetio Rockfill Usig a Combied 1D Model ad Dimesioal Aalysis. Joural of Agricultural Egieerig Research.5(2):81-88. 12-Schälchli, U. 1995. Basic Equatios for Siltatio of River Beds. Joural of Hydraulic Egieerig, ASCE, 121(3): 274 287. 13-Wu F C. 1993. Stochastic Modelig of Sedimet Itrusio i to Gravel Bed. Ph.D Thesis, Uiversity of Califoria, Berkeley, Califoria. 14-Wu, F. C., ad Huag, H. T. 2000. Hydraulic Resistace Iduced by Depositio of Sedimet i Porous Media. Joural or Hydraulic Egieerig. ASCE, 126( 7): 547-551. Flow through a Rockfill Dam Usig Sedimet-free Water. Joural of Hydraulic Egieerig. 34(3):871-875. 8-Joy, D, M. Leox, W, C. ad Kouwe, N. 1991. Particulate Trasport i Porous Media Uder No-liear Flow Coditio.Joural of Hydraulic Research. 29(3):373-385. 9-Sakthivadivel, R. 1972. Sedimet Trasport through a Porous Colum, I She, H.W. (ed), Sedimetatio, H.W. She, Colorado State Uiversity, Fort Collis, Co, 26: 1-17. 10-Salehi, R., Rahimi, H., ad Omid, M.,H. 2005. A Empirical Study o Turblet Flow through Cofied Coarse Porous Media. Iraia Joural Agriculture Sciece,36(2):263-271. 11-Samai, J.,M., V ad Farshad, R. 2005. No-Cohesive 28