تحقیقات مهندسی سازه های آبیاری و زهکشی
سال:1398 | دوره:20 | شماره:77 |تعداد مقالات:8

مطالعه رفتار جریان در حین عبور از مجاری قطره چکان ها به دلیل اندازه ی کوچک و ساختار پیچیده آنها مشکل است. از این رو مدل های عددی، اگر در عمل آزموده شده باشند، می توانند در تحلیل هیدرولیکی جریان قطره چکان ها به کار برده شوند. در این تحقیق، با استفاده از نرم افزار فلوئنت نحوه ی توزیع سرعت و فشار در قطره چکان نوع تیپ شبیه سازی شد و رابطه ی بین فشار و دبی در سه فشار 4، 5 و 6 متر آب به دست آمد. برای جریان آشفته، علاوه بر روابط پیوستگی و ناویر-استوکس به کار رفته در مدل جریان آرام، از روابط ساده شده ی مدل k-ε استاندارد استفاده شد. مش بندی با نرم افزار گمبیت اجرا و برای این منظور از مش های چهار وجهی استفاده شد. نتایج تحقیق نشان داد که مدل در شرایط جریان آرام و جریان آشفته، نتوانسته است دبی خروجی از قطره چکان را به خوبی مدل کند و دبی برآورد شده با مدل فلوئنت برای فشارهای مختلف برای جریان آرام و آشفته به ترتیب 25 و 23 درصد بیش از مقادیر اندازه گیری شده به دست آمد، به طوری که میزان اختلاف دبی برآورد شده و اندازه گیری شده در فشارهای 6، 5، 4 متر آب، برابر 0/28، 0/23 و 0/2 لیتر بر ساعت برای جریان آرام و 0/27، 0/23 و 0/19 لیتر بر ساعت برای جریان آشفته محاسبه شد. نتایج بررسی ها همچنین وجود بیش برازش را در کلیه ی فشارها توسط مدل نشان داد که با افزایش فشار اعمال شده افزایش داشت.

دریچه های کشویی جانبی به سبب هندسه ی ساده و قابلیت بهره برداری آسان، یکی از متداول ترین سازه ها ی کاربردی در شبکه های آبیاری برای انحراف آب از کانال اصلی و تنظیم میزان بده عبوری برای آبیاری زمین های کشاورزی هستند که به رغم اهمیت فراوان آنها در بهره برداری و مدیریت منابع آب در شبکه های آبیاری، کمتر بررسی شده اند. برای تعیین مشخصات جریان دریچه های جانبی، تحت شرایط رژیم جریان زیر بحرانی از 107 آزمایش تحقیق حاضر به همراه 529 آزمایش سایر محققان استفاده شد. با حل رابطه دینامیکی حاکم بر دریچه های جانبی با استفاده از روش عددی رانگ کوتای مرتبه ی چهارم، نیمرخ سطح آب در طول دریچه ی جانبی محاسبه شد. با مقایسه ی ضریب بده در دو رویکرد حل رابطه جریان متغیر مکانی و روش مستقیم حل رابطة بده، مشخص شد مقادیر ضریب بده در هر دو رویکرد، تطابق قابل قبولی با هم دارند. با استفاده از تحلیل ابعادی و آماری، به منظور تخمین ضریب بده رابطه هایی پیشنهاد شدند و رویکردی برای تشخیص شرایط جریان آزاد یا مستغرق ارائه شد. نتایج بررسی ها نشان داد که ضریب بده دریچه ی جانبی در شرایط جریان آزاد به نسبت عمق جریان به بازشدگی دریچه و عدد فرود جریان بالا دست بستگی دارد و در شرایط مستغرق به نسبت عمق جریان به عمق پایاب کانال آبگیر و نسبت عمق جریان به بازشدگی دریچه بستگی دارد. رابطه ی پیشنهادی تخمین ضریب بده در شرایط جریان آزاد و مستغرق به ترتیب دارای متوسط خطای نسبی 96/2 و 33/5 درصد است و دقت قابل قبول رابطه ی پیشنهادی را نشان می-دهد.

استفاده ی بهینه از منابع آب یکی از کهن ترین هدف های بشر است. امروزه با توجه به هدف ها و کاربردهای چندگانه ی سدها، به کارگیری تمهیدات مناسب برای بهره برداری از سرریزها و مخازن سدها اهمیت بالایی دارد. هدف این تحقیق دستیابی به طول و ارتفاع بهینه برای سرریز اوجی است. به منظور تعیین تابع هدف، تغییرات طول سرریز در محدوده 10 تا 30 متر و دوره ی بازگشت سیلاب طراحی در محدوده ی 1000 تا 10000 سال در نظر گرفته شد. با ابزار الگوریتم ژنتیک، بهینه سازی در محیط نرم افزار MATLAB انجام شد. در این تحقیق، تأثیر طول و ارتفاع سرریز بر هزینه ی ساخت سرریز بررسی و با استفاده از مدل رگرسیون، رابطه های تحلیلی برای آن ارائه شد. نتایج تحقیق نشان می دهد طول بهینه برای سرریز 14/4متر و ارتفاع بهینه 31/47متر است. به طورکلی طراح برای طول و ارتفاع سرریز اوجی سد بالا رود، به ترتیب 28 و 34 درصد را به عنوان حاشیه ی اطمینان در نظر گرفته است. انتخاب این مقادیر، هزینه ی پروژه را به طور چشمگیر افزایش می دهد؛ که نیازمند بازنگری مهندسان در انتخاب حاشیه ی اطمینان مناسب برای ابعاد سرریز با در نظر گرفتن جمیع مؤلفه هاست.

سرریز کلید پیانویی سازه ای است که سطح و دبی جریان را تنظیم می کند و قابلیت استقرار در مخازن سد ها و کانال ها را داراست. ویژگی اصلی این سرریز توانایی عبور دادن دبی زیاد به ازای بار آبی اندک است. این نوع سرریز با توجه به خصوصیات هندسی، در چهار نوع A، B، C و D طبقه بندی می شود. در پژوهش حاضر برای بررسی تأثیر عرض کلید های ورودی و خروجی بر مشخصه های هیدرولیکی جریان، 16 مدل فیزیکی از سرریزهای کلید پیانویی نوع A و D ساخته شد. برای دستیابی به اهداف این پژوهش، بیش از 300 آزمایش روی یک کانال آزمایشگاهی اجرا و نشان داده شد که به ازای بار آبی مشخص، سرریز نوع A، نسبت به سرریز نوع D، ظرفیت تخلیه بالاتری دارد. همچنین معلوم شد هندسه ی خاص سرریز نوع A، مانع تشکیل پدیده ی مخرب جریان موجکی روی آن می شود. بر اساس یافته های پژوهش، مشخص شد که مدل سرریز با نسبت عرض کلیدهای ورودی به خروجی برابر 66/1، در مقایسه با مدل های دیگر، تا 30 درصد عملکرد بهتری دارد.

در سامانه های آبیاری تحت فشار، توزیع یکنواخت آب اهمیت بالایی دارد. یکی از ابزارهایی که به این منظور به کار می رود شیر کنترل دبی است. شیر کنترل دبی مورد مطالعه در این تحقیق قطعه ای است دوکی شکل و به واسطه ی وجود یک فنر، به نحوی در روزنه ای با قطر مشخص حرکت می کند که با تغییر فشار، همواره دبی تقریباً ثابتی از خود عبور دهد. مبانی طراحی شیر کنترل دبی مورد مطالعه سال 2015 ارائه شد اما تاکنون به تولید صنعتی نرسیده است. این نوع شیر می تواند در سامانه های آبیاری نواری کم فشار به کار رود. خستگی فنر و نحوه ی نصب قطعات ممکن است عملکرد شیر کنترل دبی را تحت تأثیر قرار دهد. در این تحقیق به بررسی آزمایشگاهی این عوامل بر عملکرد این شیر پرداخته شده است و محدوده ی مجاز تغییرات آنها به شکلی که تأثیر قابل توجهی روی عملکرد شیر کنترل دبی نداشته باشد به دست آمد. نتایج بررسی ها نشان داد که اگر فاصله نصب دوک از روزنه، b، و سختی فنر، K، به ترتیب تا 82 و 15 درصد بیشتر از مقادیر طراحی تغییر کند، عملکرد شیر کنترل دبی کمتر از 5 درصد تحت تأثیر قرار خواهد گرفت. تغییرات سختی فنر که ناشی از خستگی آن در دوره ی کارکرد شیر کنترل دبی است، می تواند بر عملکرد شیر کنترل دبی تأثیر گذارد. نتایج تحقیق همچنین نشان داد که برای شیرهای کنترل دبی 0/4و 0/6 لیتر بر ثانیه، به ترتیب تنها 6 و 3 درصد می توان خستگی فنر را نسبت به مقدار طراحی کمتر در نظر گرفت.

ایجاد گرداب در ورودی آبگیرها سبب بروز مشکلاتی از جمله ورود هوا به تأسیسات هیدرومکانیکی و در نتیجه بروز کاویتاسیون خواهد داشت. تعیین میزان تراز مجاز بهره برداری مخزن که باعث نفوذ هوا به آبگیر نشود، اهمیت بالایی دارد. با استفاده از اجزای جانبی، امکان بهبود الگوی جریان آبگیر و در نتیجه کاهش تراز مجاز بهره برداری مخزن وجود دارد. در این پژوهش آزمایشگاهی، اثر زاویه ی دفلکتورواقع در درون مجرا بر نحوه ی عملکرد هیدرولیکی آبگیرهای قائم، به خصوص عمق استغراق بحرانی آبگیر، بررسی شده است. برای این منظور، سه سناریوی مختلف به کارگیری دفلکتور در مجرای قائم با تغییر زاویه ی انحراف α معادل 3، 7 و 11 درجه بررسی و نتایج حاصل با شرایط جریان در آبگیر قائم در حالت بدون دفلکتور (مدل شاهد) مقایسه شد. نتایج بررسی ها نشان داد که به کارگیری دفلکتور در ایجاد ثبات تغییرات تراز سطح آب مخزن و کاهش تراز مجاز بهره برداری مخزن شده و نیز در جلوگیری از ورود هوا به دهانه ی آبگیر نقش بسزایی دارد. میزان عمق استغراق بحرانی زمان استفاده از دفلکتور با زاویه ی انحراف 11 درجه، نسبت به شرایط 3 درجه، به طور میانگین حدود 50 درصد کاهش نشان می دهد. در تحلیل حساسیت صورت گرفته بر عمق استغراق بحرانی همچنین مشخص شد کهتغییرات پارامترهای زاویه ی انحراف α و عدد فرود Fr آبگیر نقش بسزایی در میزان عمق استغراق بحرانی دارند به طوری که در تعیین پارامتر (S/Di)cr، نقش تغییر در عدد فرودFr در زاویه ی α معادل 11 درجه، نسبت به زاویه ی α معادل 3 درجه، دو چندان است.

کانال های انتقال و توزیع آب از سازه های آبی هستند که برای جلوگیری از تلفات نشت آب در مسیر جریان، بستر آنها با استفاده از پوشش بتنی غیرمسلح پوشش داده می شود. کیفیت این نوع پوشش ها اغلب با روش مخرب و پرهزینه ی مغزه گیری و انتقال مغزه ها به آزمایشگاه ارزیابی می شود. در این پژوهش، سه کانال اصلی قلعه قباد، نهر شعبان و جهان آباد از شبکه ی آبیاری نهر شعبان در نهاوند به دو روش مخرب و غیر مخرب ارزیابی شد. برای این منظور در مجموع 6 کیلومتر از کانال های شبکه ی آبیاری نهر شعبان در نظر گرفته شد و در 13 نقطه از آن به فواصل 500 متری 12 مغزه در هر مقطع و در کل 156 مغزه تهیه گردید. در نقاط مورد نظر آزمایش عدد چکش اشمیت حاصل از به کارگیری آن نیز اجرا شد. در آزمایشگاه، مقاومت فشاری، جذب آب اولیه و جوشیده و جذب آب مویینه روی آنها آزمایش شد. روابط بین آزمایش غیر مخرب چکش اشمیت با هر یک از پارامترهای حاصل از آزمایش های آزمایشگاهی روی مغزه ها که به روش مخرب تهیه گردیده بودند، بررسی شد. نتایج به دست آمده نشان داد بین مقادیر عدد چکش اشمیت با مقاومت فشاری رابطه ی نمایی مستقیم با ضریب همبستگی 86 درصد برقرار است. همچنین، بین عدد چکش اشمیت و پارامترهای جذب آب اولیه، جوشیده و مویینه که از پارارمترهای دوام پوشش بتنی در مناطق سردسیر هستند، رابطه ی توانی معکوس با ضریب همبستگی به ترتیب 72، 70 و 71 درصد برقرار است. با توجه به این روابط با همبستگی مناسب، در کانال های آبیاری با پوشش بتنی، بدون مغزه گیری و تنها با آزمایش غیرمخرب چکش اشمیت در محل می توان مقادیر مقاومت فشاری، جذب آب اولیه، جوشیده و مویینه را برآورد کرد که از شاخص های دوام هستند. بین جذب آب نیم ساعته و جوشیده نیز رابطه ی مستقیم با ضریب همبستگی بالای 95 درصد برقرار است. برای تعیین درصد آب جوشیده ی مورد استفاده در تعیین ظرفیت جذب آب که نیاز به بیش از 3 روز زمان دارد می توان از نتایج جذب آب اولیه استفاده کرد. مشخص شد بین جذب آب جوشیده و مقاومت فشاری رابطه ی معکوس درجه 3 با ضریب همبستگی بالای 96 درصد برقرار است و با افزایش مقدار جذب آب، مقاومت فشاری کاهش می یابد. مطابق این نتیجه، کیفیت پوشش بتنی در کانال های آبیاری بر مبنای روابط به دست آمده در این پژوهش، به روش غیرمخرب و با دقت بالایی قابل برآورد خواهد بود.

ناپایداری شیروانیهای غیراشباع در اثر بارندگی، یکی از مهم ترین رویدادهای طبیعی است که معمولاً به هنگام بارندگی یا پس از آن روی می دهد. بسیاری از تپه های خاکی و دامنه های کوه برای احداث زیرساخت ها و پروژه های بزرگ از جمله احداث کانال های آبیاری خاک برداری می شوند. در این تحقیق تأثیر نفوذ آب باران بر پایداری یکی از بحرانی ترین شیروانی های غیراشباع ایجاد شده برای احداث کانال اصلی شبکه ی آبیاری و زهکشی خدآآفرین در محدوده ی دشت مغان بررسی شد. مشخصات فیزیکی و مکانیکی مصالح تشکیل دهنده ی شیروانی، ضمن حفاری و اخذ نمونه های دست خورده و دست نخورده، با آزمایش های درجا و آزمایشگاهی تعیین گردید. برای ارزیابی تأثیر بارندگی در پایداری شیروانی، از مقادیر توزیع ماهانه بارش منطقه مغان استفاده شد. برای به دست آوردنپارامترهای منحنی مشخصه رطوبتی، از نرم افزار RETCاستفاده گردید. پس از تهیه ی مدل، اثر نفوذ آب باران بر فشار آب منفذی، درجه ی اشباع خاک، تغییر شکل و تغییرات کرنش برشی در مدت بارندگی تحلیل شد. برای ارزیابی پایداری شیروانی نیز از روش کاهش مقاومت برشی استفاده شد. نتایج بررسی ها نشان می دهد نفوذ آب باران در شیروانی های غیراشباع ایجاد شده در خاک های ریزدانه با نفوذپذیری کم، در کوتاه مدت تأثیر چندانی ندارد ولی با گذشت زمان و طولانی تر شدن مدت زمان بارندگی، ناپایداری شروع می شود و پس از حدود 80 روز از بارش های اعمال شده ضریب اطمینان به کمتر از یک می-رسد و شیروانی به طور کامل گسیخته می شود. بنابراین می توان نتیجه گرفت که پایداری شیروانی های از جنس ریزدانه در برابر بارندگی ها، باید برای بارش های با مدت زمان طولانی بررسی شود.