مطالعۀ آزمایشگاهی راندمان استهلاک انرژی در سرریزهای پلکانی-کنگره ای

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار دانشکده کشاورزی، و وابسته پژوهشی گروه مهندسی آب و محیط زیست پژوهشکده حوضه آبی دریای خزر، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 دانش آموخته کارشناسی ارشد؛ دانشکده کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

چکیده

جریان آب عبوری از سرریز سدها انرژی جنبشی بالایی دارد که می‌تواند آسیب‌های زیادی بر تأسیسات پایین‌دست و فرسایش شدید بستر رودخانه وارد کند. انرژی معمولاً با ایجاد حوضچۀ آرامش در پایین‌دست سرریزها، پرتاب‌کننده‌های جامی شکل و پلکان در سرریزها مستهلک می‌شود. سرریزهای پلکانی یکی از سازه‌های متداول به‌منظور استهلاک انرژی و نیز کاهش ابعاد حوضچۀ آرامش در سدهاست. در این پژوهش، تأثیر ایجاد کنگره­ها با ارتفاع 5/0 و 75/0 ارتفاع پلکان (h)، فواصل کارگذاری برابر و دو برابر ارتفاع پلکان و سه اندازۀ زبری‌ سطح پلکان‌ به­ترتیب برابر با 002/0، 004/0 و 006/0 متر بر افت انرژی کل در پایین‌دست سرریز پلکانی با شیب­های 1:1، 1:2 و 1:3 به‌صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. بررسی نتایج نشان می­دهد در سرریز پلکانی با شیب 1:1 ایجاد کنگره با ارتفاع h5/0، فاصلۀ کارگذاری h2 و طولی برابر با طول پلکان به افزایش 7/12 درصد در افت انرژی می‌انجامد. تجزیه و تحلیل نتایج به­دست ­آمده در سرریز پلکانی با شیب 1:2 نشان می­دهد ایجاد کنگره با ارتفاع h75/0 و فاصلۀ کارگذاری h2 و طول کنگره برابر با ارتفاع پلکان، میزان افت انرژی را 4/8 درصد نسبت به حالت بدون کنگره افزایش می‌دهد. مقایسۀ نتایج حاکی از آن است که در سرریز پلکانی با شیب 1:3 ایجاد آستانه­ای یکپارچه با طول h و ارتفاع h5/0 با افزایش 7/4 درصد در افت انرژی، نسبت به حالت بدون کنگره، مناسب‌ترین عملکرد را دارد. مقایسه‌ها همچنین نشان می‌دهد اِعمال زبری در سرریزهای مورد مطالعه عملکرد آنها را کاهش می­دهد و میزان افت نسبی انرژی را به‌طور متوسط 6/3 درصد نسبت به حالت­های بدون زبری کم می­کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of Energy Dissipation over Stepped-Labyrinth Weirs

نویسندگان [English]

  • M. Esmaeili-Varaki 1
  • marjan Keshavarz Eskandari 2
1 Associate Professor, Water Engineering Department, Agricultural Faculty, and Department of Water and Environmental Engineering, Caspian Sea Basin Research Center, University of Guilan, Rasht, Iran.
2 M. Sc. Department of Water Eng., Faculty of agriculture, University of Guilan
چکیده [English]

Flow water passing through spillways of dams has a high level of kinetic energy, which can lead to extensive damage to downstream facilities and bring about severe erosion of river beds. Energy dissipation would usually be accomplished by creating structures such as still basins at downstream of weirs, flip buckets, or steps in weirs. Stepped spillways are one of the common structures for energy dissipation, as well as reduction of the dimensions of still basins. The effects of labyrinths on total energy dissipation at downstream of the stepped spillways with slopes of 1:1, 1:2 and 1:3 was investigated; the height of labyrinths was 0.5 and 0.75 of the height of steps (h), working interspaces were equal to two times of the height of steps, and three roughness heights on the step face were 0.002, 0.004 and 0.006 m. The results showed that in first case, 1:1 slope of the stepped spillway, a labyrinth with height of 0.5h, working interspaces of 2h and equal length of the steps caused an increase of 12.7 percent in dissipation of relative energy. The comparison of results showed that for slope of stepped weir of 1:2, installation of a labyrinth with a height of 0.75h, interspaces of 2h and equal length to the height of the steps, the relative energy dissipation increased by 8.4 percent. When stepped weirs with slopes equal to1:3 were used, results indicated that installation sill with a length h, a height of 0.5h instead of labyrinths on steps, caused an increase of 4.7 percent in relative energy dissipation. Result showed that increase surface roughness of studied weirs reduced the relative energy dissipation by 3.6 percent.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Energy dissipation
  • Flow Regime
  • labyrinth weir
  • Roughness
  • stepped weir
Azizi, A., Meftah, H. M. Ahmadi, M. Z. and Golmayie, S. A. 2008. Evaluating the affection of
used material porosity on energy dissipation in gabion stepped weirs. J. Agric. Sci. Natur. Resour. 15(1): 150-158.

 

Carlos, A., Gonzalez, M., Takahashi, M. and Chanson, H. 2008. An Experimental study of effects of step roughness in skimming flows on stepped chutes. J. Hydraul. Res. 46(1): 24-35.

 

Chamani, M. R. and Rajaratnam, N. 1994. Jet flow on stepped spillways. J. Hydraul. Eng. 120(2): 254-259.

 

Chanson, H. 1993. Stepped spillway flows and air entrainment. Can. J. Civil Eng. 20(3): 422-435.

 

Chinnarasri, C., Donjadee, S. and Israngkura, U. 2008. Hydraulic characteristics of gabion-stepped weirs. J. Hydraul. Eng. 134(8): 871-872.

 

Ebrahimi, N., Kashefipoor, M. and Ebrahimi, K. 2005. Evaluating the hydraulic flow characteristics on the model of stepped Gabion weirs. Proceedings of the Fifth Conference of Iranian Hydraulic Association. Shahid Bahonar University of Kerman. Nov. 8-10. Kerman, Iran. (in Persian)

 

Essery, I. T. S., and Horner, M. W. 1971. The hydraulic design of stepped spillways, Rep. 33. Construction Industry Research Information Associate. London, U.K.

 

Felder, S. and H. Chanson. 2011. Energy dissipation down a stepped spillway with non-uniform step height. J. Hydraul. Eng. 137(11): 543-1548.

 

Khatsuria, R. M. 2005. Hydraulics of Spillways and Energy Dissipaters. Marcel Dekker, New York.

 

Meftah-Halaghi, M. and Bayat, H. 2008. Energy loss on stepped gabion weirs. Proceeding of the 3rd Conference of Watersheds, Soil and Water Resources Management. Shahid Bahonar University of Kerman. Jan. 10-12. Kerman, Iran. (in Persian)

 

Moore, W. L. 1943. Energy loss at the base of a free overfall. Trans. Am. Soc. Civil Eng. 108(1):
1343-1360.

 

Novak, P., Maffat, A. I. Nalluri, C. and Narayanan, R. 1990. Hydraulic Structures. The Academic Division of Uniwin Ltd.

 

Peyras, L., Royet, P. and Degoutte, G. 1991. Flows and dissipation of energy on gabion weirs. J. La Houille Blanche. 1, 34-47.

 

Peyras, L., Royet, P. and Degoutte, G. 1992. Flow and energy dissipation over stepped gabion weirs. J. Hydraul. Eng. 118(2): 707-717.

 

Salmasi, F., Farsadizade, D. and Mohit, H. 2010. Experimental evaluation of energy dissipation over gabion stepped spillway. J. Water Soil Sci. 21(2): 152-164.

 

Subramanya, K. 1986. Flow in Open Channel. Second Ed. Tata McGraw-Hill, New Delhi.

 

Wuthrich, D. and Chanson, H. 2014. Air entrainment and energy dissipation on gabion stepped weirs. J. Hydraul. Eng. 140(9): 04014046.