بررسي اثر بستر نفوذپذير متخلخل در حوضچه آرامش بر مشخصات پرش هيدروليكي

Investigating the effect of porous permeable bed in the stilling basin on the hydraulic jump characteristics

سابقه و هدف: يكي از كاربردهاي مهم پرش هيدروليكي كنترل فرسايش پايين دست كانال از سيستم هاي انتقال آب با سرعت بالا مانند تنداب ها و سرريزها بوسيله مستهلك كردن مقدار زيادي از انرژي جنبشي پرش هيدروليكي در حوضچه آرامش مي باشد. حوضچه هاي آرامش معمولا از بتن صاف و نفوذ ناپذير ساخته مي شوند كه اين امر مشكلاتي از نظر زيست محيطي و همچنين هزينه و صعوبت اجرا به دنبال دارد. استفاده از حوضچه هاي آرامش در كانال هاي طبيعي پوشش داده شده با ريپ رپ و كانال هاي سنگي رو به گسترش است. اين حوضچه ها ذاتا زبرتر و نسبت به حوضچه هاي آرامش سنتي نفوذپذير مي باشند. در حال حاضر تاثير نفوذپذيري كانال بر روي مشخصات پرش هيدروليكي مانند اعماق مزدوج و طول پرش نامشخص است. در اين تحقيق مشخصات پرش هيدروليكي در حوضچه آرامش با بستر نفوذپذير متخلخل به عنوان جايگزيني براي حوضچه هاي بتني در اينگونه موارد مورد بررسي قرار گرفته است. مواد و روش‌ها: براي انجام آزمايش‌ها يك كانال آزمايشگاهي به طول 6 متر و عرض 80 سانتي‌متر با جداره شيشه‌اي مجهز به مخزن تأمين هد به ارتفاع 3 متر در ابتداي كانال در آزمايشگاه هيدروليك دانشگاه فردوسي مشهد طراحي و ساخته شد. دبي موردنياز آزمايش‌ها توسط سيستم آب‌رساني آزمايشگاه مجهز به پمپ سانتريفيوژ با توان آبدهي 100 ليتر بر ثانيه تأمين گرديد. از دو دريچه كشويي در ابتدا و انتهاي كانال به‌منظور ايجاد جريان فوق بحراني، تنظيم عمق پاياب و تثبيت موقعيت پرش استفاده شد. از سه نوع شن خوب دانه‌بندي شده با ميانگين قطر دانه‌بندي مختلف در محدوده 9/8 تا 38 ميلي‌متر با طول‌ها و ضخامت‌هاي متفاوت براي ايجاد بستر نفوذپذير استفاده گرديد. آزمايش‌ها براي پنج عدد فرود متفاوت در محدوده 5/3 تا 7/4 انجام شد. عمق اوليه، ثانويه و طول پرش براي هر آزمايش اندازه‌گيري شده و با نتايج حاصل از بستر صاف نفوذناپذير مقايسه گرديد. يافته‌ها: درمجموع اهداف مختلف موردنظر اين تحقيق كه در درجه اول شامل ارزيابي اثر بالقوه نفوذپذيري كف حوضچه آرامش بر روي مشخصات پرش هيدروليكي مانند نسبت اعماق مزدوج و طول پرش بود، به دست آمد. نتايج آزمايش‌ها نشان داد كه پارامترهايي مانند ميانگين قطر دانه‌بندي بستر حوضچه، طول و ضخامت بستر و عدد فرود جريان بر ابعاد پرش هيدروليكي و ميزان افت انرژي حاصل از آن مؤثرند. نتيجه‌گيري: نفوذپذيري بستر سبب كاهش ابعاد پرش هيدروليكي شده بطوريكه نسبت اعماق مزدوج در مقايسه با بستر صاف به‌طور ميانگين 19 درصد و نيز طول پرش حدوداً 31 درصد كاهش مي‌يابد.

Background and Objectives: An important application of the hydraulic jump has been to control channel scour downstream from high-velocity conveyance systems such as chutes and spillways by dissipating a large portion of the kinetic energy in a hydraulic jump stilling basin. Hydraulic jump stilling basin generally is made of smooth and impermeable Concrete which has environmental, cost and construction problems. It is becoming more common to use hydraulic jump stilling basins in natural rip-rap lined or bound rock channels. These basins are inherently rougher and permeable compared to traditional basins. At present the influence of channel permeability on the hydraulic jump characteristics such as sequent depth and jump length is uncertain. In this research hydraulic jump characteristics in a stilling basin with porous permeable bed as an alternative to concrete basins is studied. Material and Methods: To conduct the experiments a laboratory flume of 6 meters long and 80 centimeters wide with glass walls, equipped with a head tank up to 3 meters high was designed and built at Ferdowsi University’s hydraulic laboratory. The flow rate required for the experiments was supplied by a centrifuge pump with a capacity of 100 liters per second. Two slice gates were used at the beginning and at the end of the flume to develop super-critical flow, adjust the downstream depth and fix the jump position. Three different types of well-granulated gravel in the range of 9.8 to 38 millimeters with different lengths and thicknesses were used to create the permeable bed. The experiments were carried out for five different Froude numbers within the range of 5.3 to 7.4. For each experiment initial depth, sequent depth and jump length were measured and compared with the results of smooth impermeable bed. Results: In general the various purpose of this study have been achieved. Primarily, these were to evaluate the potential effects of stilling basin bottom permeability on the hydraulic jump characteristics of sequent depth ratio and jump length. The experiments showed that parameters such as mean grain size of porous bed, length and thickness of the bed and Froude number of upstream flow affect the hydraulic jump dimensions and the energy dissipation caused by the jump. Conclusion: Permeability of the bed reduces the hydraulic jump dimensions so that the sequent depth ratio is reduced by an average of 19 percent compared to smooth bed and also the jump length is reduced by about 31 percent.