بررسي پديده آب‌شستگي موضعي در پايين‌دست حوضچه‌هاي آرامش در حضور سرريز پلكاني

Investigation of Local Scour Phenomenon Downstream of Stilling Basins in the Presence of Stepped Spillway

- مسأله آب‌شستگی یكی از موضوعاتی است كه همواره در طراحی انواع مختلف سازه‌های هیدرولیكی اهمیت دارد. از جمله این سازه‌ها، سرریز پلكانی است. هدف از انجام این تحقیق، بررسی تشابه بین نیمرخ‌های آب‌شستگی موضعی در پایین‌دست سرریز پلكانی می‌باشد. بدین منظور از نتایج حاصل از انجام 67 آزمایش بر روی دو مدل آزمایشگاهی مختلف در محدوده وسیعی از اعداد فرود ذره، طول حوضچه آرامش، عمق پایاب، دانه‌بندی ذرات رسوبی و دو شیب مختلف سرریز پلكانی استفاده شد. در این تحقیق از 5 طول مختلف حوضچه آرامش در محدوده 37 سانتی‌متر تا 120 سانتی‌متر استفاده شد. هم‌چنین محدوده دبی مورد استفاده 95/88-43/7 لیتر بر ثانیه بود. مدت‌ زمان آزمایش‌ها 6 ساعته، 8 ساعته، 12 ساعته و 24 ساعته بود. در محدوده دبی مورد ‌نظر، در شرایط یكسان آزمایشگاهی، بیشینه عمق آبشستگی در پایین‌دست حوضچه آرامش با طول 110 سانتی‌متر نسبت به بیشینه عمق آبشستگی در پایین‌دست حوضچه آرامش با طول 37 سانتی‌متر، 48 الی 78 درصد كاهش پیدا كرد. بر اساس نتایج به‌دست آمده از داده‌های آزمایشگاهی، تشابه بین نیمرخ‌های حفره آب‌شستگی در پایین‌دست سرریزهای پلكانی مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور دو روش برای بی‌بعد كردن نیمرخ‌های آب‌شستگی ارائه شد؛ كه بر اساس پارامترهای آماری، بهترین روش برای بی‌بعد كردن نیمرخ‌های آب‌شستگی انتخاب و تشابه بین نیمرخ‌های آب‌شستگی در پایین‌دست سرریزهای پلكانی نشان داده ‌شد. روابط پیش‌بینی كننده عمق بیشینه آب‌شستگی، فاصله عمق بیشینه از انتهای حوضچه آرامش، طول حوضچه آرامش و حجم رسوبات انتقال یافته به پایین‌دست بر اساس پارامترهای بدون بعد، در زمان‌های مختلف بسط داده شد. هم‌چنین، تأثیر پارامترهای مختلف بر هندسه حفره آب‌شستگی مورد بررسی قرار گرفت. در مجموع آزمایش‌ها، 8 پروفیل عرضی در شرایط مختلف (برای دانه‌بندی و طول حوضچه‌های آرامش مختلف) برداشت گردید. در یك شرایط آزمایشگاهی معین، مقایسه‌ای بین آبشستگی در حضور سرریز پلكانی با آبشستگی در حضور سرریز اوجی انجام شد. نتایج بدست‌آمده نشان داد كه وجود سرریز پلكانی بین 06/42 تا 82/74 درصد باعث استهلاك انرژی می‌شود، كه این امر، به‌جهت كاهش ابعاد حفره آب‌شستگی ایمنی بیشتر سازه سرریز پلكانی را نسبت به سرریز اوجی تحت شرایط مشابه توجیه می‌كند.

Scouring is one of the issues that is important in the design of various types of hydraulic structures. One of these structures is a stepped spillway. The aim of this study is to evaluate the similarity between the profiles of scour holes downstream of the stepped spillway. To do so, results of 67 experiments in two different experimental models were used; these results were in a wide range of particle Froude number, the stilling basin length, downstream depth, sediment particle size distribution and two different slopes of stepped spillway. In this study, 5 different lengths of stilling basin, from 37 cm to 120 cm, were used. Also, the range of utilized discharge was from 8.43 lit/s to 88.95 lit/s. Duration of the tests were selected to be 6-hours, 8 hours, 12 hours and 24 hours and, in total, 834 scour profiles and approximately 85000 points to were used derive required relations and to performother analyzes. Based on the experiments results, the similarity between scour-holes located in downstream of stepped spillway was analyzed. In this process, two methods were used to make the profiles dimensionless. Based on statistical parameters, best method was selected and similarity of downstream profiles were shown. Relations that predict maximum scour depth, the distance from maximum depth to the end of the stilling basin and volume of transported sediments are developed based on the dimensionless parameters in different time periods. Furthermore, impact of different parameters on the geometry of scour holes were studied. When the Froude number increases, while all other parameters are constant, the dimensions of the scour-hole increases. When the stepped spillway slope increases, the dimensions of the scour-hole decreases and, moreover, when the tail water depth increases, while all other parameters are constant, a deeper hole with longer longitudinal distance forms. Overall, 8 cross section profiles under different conditions were taken. These profiles indicate transverse development of the scour-hole, in addition to longitudinal development.