تحقیقات مهندسی سازه های آبیاری و زهکشی
سال:1395 | دوره:17 | شماره:66 |تعداد مقالات:10

هزینه ساخت سدهای بتنی وزنی به طور معمول بیشتر از هزینه ساخت سدهای دیگر است و بنابراین بهینه سازی شکل مقطع این گونه سدها به منظور کاهش در حجم بتن مصرفی باعث اقتصادی تر شدن طرح می شود. در این پژوهش، ضمن توسعه مدل بهینه سازی جفت گیری زنبور عسل در محیط نرم افزار متلب، ابعاد سد بتنی وزنی کوینا با در نظر گرفتن شرایط پایداری بهینه شده است. برای این کار، مقطعی کلی و فراگیر به عرض واحد شامل هشت پارامتر هندسی به عنوان متغیرهای طراحی در نظر گرفته و سایر پارامترهای هندسی نیز با استفاده از این متغیرها تعریف شد. نتایج بررسی ها نشان داد که حجم بتن مصرفی در ساخت این سد در حالت مقطع موجود، برابر با 3633 مترمکعب، در حالت مقطع بهینه به 52.3312 مترمکعب کاهش یافته یعنی 82.8 درصد از مقدار تابع هدف (حجم بتن مصرفی در ساخت سد) کاسته شده است. این مقدار کاهش حجم بتن مصرفی در ساخت سد موجب صرفه جویی در هزینه های طرح و اقتصادی تر شدن آن می شود.

روابط مقاومت جریان از مولفه های کلاسیک آنالیز هیدرولیکی رودخانه است که برای روندیابی سیل، پیش بینی عمق و سرعت سیلاب های طرح، برآورد ظرفیت سیلاب آبراهه و پیش بینی غیرمستقیم دبی های سیلاب از طریق روش شیب - مساحت، مورد نیاز خواهد بود. در این تحقیق به بررسی آزمایشگاهی اثر شکل ذرات و شیب بستر آبراهه بر ضریب زبری مانینگ پرداخته شده است. برای رسیدن به این هدف، از دو نوع سنگریزه طبیعی نسبتا گردگوشه و شکسته تیزگوشه با اندازه های متوسط 3.8، 4.66 و 6.53 سانتی متر و چهار شیب 0.4، 0.6، 0.8 و 1 درصد در شرایط مختلف هیدرولیکی استفاده شد. نتایج تحقیق نشان می دهد که با افزایش اندازه سنگریزه و شیب بستر آبراهه و کاهش استغراق نسبی مقدار ضریب زبری مانینگ افزایش می یابد. نتایج بررسی ها همچنین نشان می دهد که به طور متوسط مقدار ضریب زبری مانینگ سنگریزه های تیزگوشه در شیب های 0.4، 0.6، 0.8 و 1 درصد به ترتیب در حدود 2.7، 3.7، 3.8 و 5.9 درصد بیشتر از مقدار آن در سنگریزه های طبیعی نسبتا گردگوشه است. اختلاف بین مقادیر ضریب زبری مانینگ در ذرات تیزگوشه و طبیعی نسبتا گردگوشه با کاهش استغراق نسبی و افزایش شیب بستر افزایش می یابد. به سخن دیگر، اثر شکل ذرات بر ضریب زبری مانینگ در شیب های تند و استغراق نسبی کم (زبری در مقیاس بزرگ) قابل توجه است.

کنترل نفوذ و انتقال آلاینده ها از منابع آلاینده سطحی، مانند مخازن دفن زباله به لایه های آب زیرزمینی یکی از چالش های مهم در مهندسی محیط زیست است. در این تحقیق، روشی جدید برای کنترل انتقال آلاینده ها از منابع آلاینده سطحی به لایه های زیرین و آب زیرزمینی در آزمایشگاه مطالعه شده است. برای این منظور، یک لایه حصار هیدرولیکی به صورت یک لایه خاک ماسه ای تمیز محصور بین دو لایه خاک رسی ایجاد و حرکت قائم آلاینده به سمت منبع آب تعبیه شده در زیر این لایه ها بررسی شد. منبع آلاینده حاوی غلظت مشخصی از یون کلر در بالای ستون خاک با هد ثابت در نظر گرفته شد و حصار هیدرولیکی به کمک چاهک تزریق آب ایجاد گردید. نتایج این بررسی نشان داد که چاهک تزریق آب و حصار هیدرولیکی می توانند ورود آلاینده ها را از منابع سطحی به لایه های زیرین و آب زیرزمینی به میزان حداقل 90 درصد کاهش دهند. همچنین، نتایج تحقیق نشان داد که بهترین عملکرد چاهک در ایجاد حصار هیدرولیکی زمانی است که ارتفاع آب در چاهک با ارتفاع منبع آلاینده یکسان باشد و شکاف های تزریق آب از چاهک به لایه ماسه ای در وسط لایه تعبیه شود.

یکی از رایج ترین روش ها برای استهلاک انرژی در پایین دست سازه ها در شبکه های آبیاری و زهکشی، استفاده از پرش هیدرولیکی می باشد. برخلاف سایر مقاطع از قبیل مقطع مستطیلی، ذوزنقه ای و دایره ای، پرش هیدرولیکی در کانال مثلثی تاکنون چندان بررسی نشده است. در این مقاله، ویژگی های پرش هیدرولیکی در یک کانال با مقطع مثلثی همراه با آستانه انتهایی لبه پهن مورد مطالعه قرار گرفته است. آزمایش ها در یک کانال مستطیلی به طول 9، عرض 0.5 و ارتفاع 0.6 متر از جنس شیشه شفاف و تحت شرایط هیدرولیکی مختلف شامل دبی های مختلف، دو بازشدگی دریچه و اعداد فرود ابتدای پرش در دامنه 12.5-2.5 انجام شدند. نتایج نشان داد که به ازای یک عدد فرود مشخص جت ورودی، عمق پایاب مورد نیاز در مقطع مثلثی تا 70 درصد کمتر از مقدار متناظر در مقطع مستطیلی است. بر اساس نتایج به دست آمده، روابط تجربی برای پارامترهای بی بعد نسبت عمق ثانویه و ارتفاع آستانه انتهایی لبه پهن برحسب عدد فرود جریان ورودی به دست آمد که می توان در طراحی ها از این روابط برای تشکیل پرش کنترل شده، در شرایطی که عمق پایاب کافی برای شکل گیری پرش هیدرولیکی در کانال های مثلثی وجود ندارد، استفاده کرد.

در بسیاری از کشورهای جهان، آبیاری سطحی یکی از مهم ترین روش های آبیاری اراضی فاریاب است و بیش از 90 درصد اراضی فاریاب هنوز با روش های سطحی آبیاری می شوند. تعیین ابعاد بهینه قطعات آبیاری و سایر عوامل طراحی و مدیریت آبیاری، شامل شیب، دبی ورودی و مدت زمان آبیاری نقش زیادی در افزایش راندمان کاربرد آبیاری و کاهش هزینه های بهره برداری و تولید دارد. این پژوهش با هدف تعیین ابعاد و پارامتر های طراحی و مدیریت بهینه قطعات آبیاری نواری (با انتهای بسته) و برای نیل به راندمان آبیاری بالا و ضریب یکنواختی توزیع آب مناسب در اراضی پروژه شبکه آبیاری و زهکشی رامشیر اجرا شد که از واحد های مطالعاتی و اجرایی طرح 550 هزار هکتاری احیای دشت های خوزستان و ایلام (در استان خوزستان) به شمار می آید. با استفاده از اندازه گیری های پیشروی- پسروی آب در طول نوار و کاربرد مدل جامع آبیاری سطحی WinSRFR3.1 پارامتر های معادله نفوذ آب در خاک تعیین و مدل مذکور واسنجی شد. با استفاده از بخش بهینه سازی مدل، ترکیب های مختلفی از ابعاد قطعات آبیاری و سایر پارامتر های طراحی و مدیریت آبیاری نواری (برای رژیم جریان انتها بسته) ارائه شد. بر اساس نتایج به دست آمده، گزینه عرض نوار 7 متر و طول نوار 200 متر با شیب 0.0005 تا 0.001 برای همه دبی های ورودی (20-10 لیتر در ثانیه) و عمق های خالص آبیاری (90- 50 میلی متر) از نظر راندمان کاربرد و یکنواختی توزیع آب گزینه مناسب و ایده آلی است. گزینه طراحی طول نوار 100 متر و شیب طولی نوار برابر 0.0005 برای تمامی ترکیب های عرض های نوار (12-4 متر)، عمق های خالص آبیاری (90-50 میلی متر) و دبی های آبیاری (20-10 لیتر در ثانیه) راندمان آبیاری بالایی را نسبت به سایر گزینه ها فراهم می کند. طول نوار 300 متر و بالاتر در حالت کاربرد دبی های کم تا متوسط (تا 20 لیتر در ثانیه) برای تمامی مقادیرگزینه های شیب نوار، عرض نوار، و عمق خالص آبیاری به دلیل راندمان بسیار کم یا تکمیل نشدن فاز پیشروی جریان، توصیه نمی شود. در مجموع، در شبکه آبیاری و زهکشی رامشیر اگر ابعاد قطعات به همراه سایر پارامتر های طراحی و مدیریت آبیاری شامل دبی و مدت زمان آبیاری به طور مناسب انتخاب شود، با روش آبیاری سطحی نواری حصول به راندمان های مناسب کاربرد آب در مزرعه حتی بالاتر از 70 درصد برای بسیاری از گزینه های طراحی ارائه شده در این پژوهش به راحتی امکان پذیر خواهد بود.

رسوب گذاری مخازن سدها همواره به عنوان یکی از چالش های اساسی در استفاده پایدار از این سازه ها و عامل اصلی از دست رفتن حجم ذخیره آنها مطرح بوده است. یکی از رایج ترین تکنیک های مهندسی برای حفظ ظرفیت ذخیره مخازن، تخلیه دوره ای رسوب با رسوب شویی تحت فشار است. مرور منابع علمی مختلف نشان می دهد که در حال حاضر راندمان رسوب شویی تحت فشار بسیار پایین است. در این مقاله تاثیر استفاده از سازه نوع PBC بر راندمان تخلیه رسوب در حین رسوب شویی تحت فشار به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. در این راستا از سازه PBC با چهار قطر و چهار طول نسبی مختلف در مخزن سد استفاده شد. مصالح ماسه ای غیرچسبنده با اندازه متوسط 0.36 میلی متر به عنوان رسوب بستر مخزن در نظر گرفته شد. نتایج بررسی ها نشان می دهد که با کاربرد سازه PBC با مشخصه DPBC/DOUTLET=5.26 و DPBC/DOUTLET=1.32، راندمان رسوب شویی در مقایسه با شاهد 4.57 برابر شده است. با افزایش طول نسبی سازه، طول و عرض ماکزیمم نسبی مخروط رسوب شویی نسبت به شاهد افزایش یافت ولی تغییرات عمق ماکزیمم نسبی ناچیز بود. همچنین، کلیه پارامترهای هندسی مخروط رسوب شویی در قطر بی بعد 1.32DPBC/DOUTLET= حداکثر مقدار خود را داشتند.

در مقاطع مرکب، به دلیل تفاوت سرعت جریان در کانال اصلی و کرانه سیلابی، تنش برشی ظاهری در داخل لایه های سیال به وجود می آید که باعث انتقال جرم و مومنتوم می شود. در مقاطع مرکب با سیلاب دشت های واگرا، تغییرات هندسه سیلاب دشت ها منجر به تبادل مومنتوم اضافی و تبادل آشفتگی بین کانال اصلی و سیلاب دشت می شود و بر هیدرولیک جریان اثر محسوس می گذارد. در تحقیق حاضر سعی شده است با مدلسازی فیزیکی و عددی، هیدرولیک جریان در مقاطع مرکب با سیلاب دشت های واگرا و زبر بررسی شود. در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه تهران، مدلسازی عددی با استفاده از مدل سه بعدی Flow3D صورت گرفته است. نتایج بررسی ها نشان می دهد که زبری سیلاب دشت ها بر مشخصه های جریان (مانند توزیع سرعت و گرادیان تنش بررشی) تاثیری چشمگیر دارد. مقایسه نتایج عددی با مدل آزمایشگاهی نشان می دهد که مدل Flow3D با به کارگیری مدل آشفتگی گروه های نرمال شده رینولدز (RNG) دارای دقت مناسبی در شبیه سازی جریان در این گونه مقاطع است.

در این مقاله، توپوگرافی بستر آبرفتی پایین دست حوضچه جدید (بستر پوشیده با المان های شش پایه) و نیز تغییرات حداکثر عمق حفره برای شرایط هیدرولیکی متفاوت (اعداد فرود اولیه 5.76 تا 9.13) و سه اندازه رسوب مختلف بررسی شده است. طول حوضچه در تمام آزمایش ها ثابت و متناسب با حداکثر دبی محاسبه شد. نتایج بررسی ها نشان داد که حداکثر عمق آبشستگی، در مقایسه با تحقیقات دیگر محققان که در شرایط با بستر صاف بوده است، به طور متوسط 61 درصد کاهش داشته است. افزایش اندازه ذرات رسوبی از 0.95 به 2.23 میلی متر باعث کاهش حداکثر عمق آبشستگی به میزان 56 درصد شده است. در آزمایش هایی که طول پرش کمتر از طول حوضچه بود عمق حفره نیز کاهش چشمگیری داشته به طوری که در نسبت طول پرش به طول حوضچه برابر 0.405 حداکثر عمق آبشستگی به طور متوسط 64 درصد کاهش یافته است. شیب شیروانی های بالادست و پایین دست حفره نیز در تمام آزمایش ها اندازه گیری شد که برای دیواره بالادست بین 6 و 24 درجه و برای دیواره پایین دست بین 2 و 7 درجه است. همچنین، معادله پروفیل طولی بدون بعد آبشستگی در پایین دست حوضچه آرامش با بستر زبر استخراج گردید.

اطلاع از پروفیل سطح جریان روی سرریز برای طراحی ارتفاع آزاد و ارتفاع دیواره سرریز اهمیت دارد که مهندسان طراح از مدلسازی فیزیکی برای طراحی این نوع سازه ها استفاده می کنند، از این رو اثر مقیاس در مدلسازی سرریز باعث اختلاف داده های اندازه گیری شده بین مدل و نمونه اصلی می شود. در این تحقیق، مدل آزمایشگاهی سرریز سد گرمی چای میانه در سه مقیاس 1:100، 1:75 و 1:50 ساخته و پروفیل سطح آب روی سرریز، با هفت دبی اندازه گیری شد، همچنین، درصد اختلاف ارتفاع سطح آب دو مدل فیزیکی با مقیاس 1:100 و 1:75 نسبت به مدل با مقیاس مبنا (مقیاس 1:50) محاسبه شد. نتایج بررسی ها و مشاهدات نشان می دهد که در نسبت دبی به دبی طراحی برابر 0.3، به دلیل تاثیر زیاد لزوجت و کشش سطحی میزان اختلاف ارتفاع سطح آب در مدل با مقیاس 1:100 و 1:75 نسبت به مقیاس مبنا به ترتیب برابر 18.4 و 15.6 درصد است. دبی های بزرگ تر که ارتفاع آب روی سرریز افزایش می یابد، باعث کاهش تاثیر نیروی لزوجت و کشش سطحی می شود که در نسبت دبی به دبی طراحی 1.18 میزان اختلاف ارتفاع سطح آب در مقیاس 1:100 و 1:75 به ترتیب برابر 5.8 و 4.8 درصد است. در این تحقیق، میزان تاثیر لزوجت و کشش سطحی با ارائه رابطه اصلاحی (ʹK) که تابع رینولدز و وبر بوده بیان و مشخص گردید که با مدلسازی سرریز اوجی با انحنا در پلان و با دیواره جانبی همگرا می توان در اعداد رینولدز بزرگ تر از 3.1x104 از اثر لزوجت و در اعداد وبر بزرگ تر از 270 از اثر کشش سطحی صرف نظر کرد و نتایج نمونه اصلی را با برون یابی از مطالعات مدل به دست آورد.

بومی سازی و پیاده سازی فناوری های نوین مدیریت بهره برداری شبکه های آبیاری، به منظور بهبود بهره وری آب کشاورزی، بیشتر از همیشه احساس می شود. این مطالعه با هدف بررسی توانایی سامانه غیرمتمرکز کنترل خودکار رقوم سطح آب در کانال اصلی آبیاری در بهره برداری کانال اصلی آبیاری تحت نوسان های جریان ورودی به اجرا درآمد. سامانه کنترل خودکار تناسبی- انتگرالی طراحی شده در این تحقیق روی مدل ریاضی کانال اصلی شاخه شمالی شبکه آبیاری رودشت آزمایش شد که با مشکل اساسی نوسان های جریان ورودی رو به روست. به منظور تعیین توانایی های این سامانه کنترل طراحی شده، دو سناریوی بهره برداری شامل نوسان های ورودی غیرقابل پیش بینی نرمال و شدید در نظر گرفته شد. ارزیابی وضعیت بهره برداری نشان می دهد که تحت نوسان های نرمال جریان ورودی به کانال اصلی، کنترلگر تناسبی- انتگرالی تقریبا در تمام بازه های کانال اصلی عملکرد مطلوبی در تنظیم سطح آب داشته به طوری که حداکثر شاخص های ارزیابی خطای مطلق و خطای تجمعی به ترتیب برابر 11.3 و 7.5 درصد در بازه 23 به دست آمده است. اما در نوسان های شدید، کنترلگر تنها قادر به کنترل وضعیت جریان در نیمه بالادستی کانال اصلی بوده و نیمه پایین دست بازه های کانال اصلی قادر به آبگیری نبوده است. بر اساس نتایج این تحقیق، سامانه های کنترل خودکار غیرمتمرکز در شرایط نرمال نوسان های ورودی بهره برداری مطلوبی ایجاد می کنند در حالی که در شرایط نوسان های شدید جریان ورودی لازم است از سامانه های هوشمندتری برای تامین بهره برداری مطلوب استفاده کرد.