تحقیقات مهندسی سازه های آبیاری و زهکشی
سال:1398 | دوره:20 | شماره:75 |تعداد مقالات:8

مطالعه ی هیدرولیک جریان در تلاقی رودخانه ها و کانال های روباز از جنبه های مختلف شامل فرسایش، رسوب گذاری و ملاحظات زیست محیطی بااهمیت است. یکی از مهم ترین خصوصیات مورد توجه در محل تلاقی، ابعاد ناحیة جداشدگی جریان است. این ناحیه بلافاصله بعد از گوشه ی پایینی محل تلاقی در حین ورود جریان از شاخه ی فرعی به شخة اصلی به وجود می آید. در پژوهش حاضر تأثیر شیب جانبی دیوار کانال اصلی بر ابعاد ناحیه ی جداشدگی جریان بررسی شده است. آزمایش ها به ازای چهار نسبت دبی، چهار عدد فرود پایاب و زاویه های 45، 60، 75 و 90 درجه اجرا شده است. نتایج به دست آمده حاکی از افزایش ابعاد ناحیه ی جداشدگی در اثر کاهش زاویه ی شیب جانبی دیوار کانال اصلی است. میانگین افزایش طول ناحیه ی جداشدگی به ازای زاویه های 45، 60 و 75 درجه نسبت به دیوار قائم به ترتیب برابر 55/3، 30/3 و 15/5 درصد به دست آمده است. مقادیر گفته شده برای پهنای ناحیه ی جداشدگی به ترتیب برابر 33/8، 22/7 و 10/8 درصد است. کاهش عدد فرود پایاب و افزایش نسبت دبی کانال فرعی به کانال اصلی نیز با افزایش ابعاد ناحیه ی جداشدگی همراه است. همچنین، متناسب با افزایش زاویه ی شیب جانبی، شاخص شکل ناحیه ی جداشدگی افزایش می یابد به طوری که میانگین مقادیر آن به ازای زاویه های 45، 60، 75 و 90 درجه به-ترتیب برابر 0/144، 0/147، 0/150 و 0/156 به دست آمده است. علاوه بر آن، روابطی رگرسیونی برای محاسبه ی طول و پهنای ناحیه ی جداشدگی و بر اساس متغیرهای بی بعد تحقیق حاضر استخراج و به ازای شیب جانبی 90 درجه با روابطی مقایسه شد که دیگر محققان به کار برده اند.

یکی از اهداف اصلی احداث شبکه های آبیاری، انتقال و توزیع آب موردنیاز در بخش کشاورزی است. در این پژوهش از کنترل گر کلاسیک PID برای تنظیم سطح آب به منظور بهبود بهره برداری از کانال اصلی شبکه ی آبیاری البرز استفاده شده است. به این منظور کنترل گر کلاسیک PID در دو جهت کنترل از بالادست و کنترل از پایین دست در محیط نرم افزار فرترن توسعه داده شد و با مدل هیدرودینامیک ICSS تلفیق شد که برای شبیه سازی شرایط هیدرولیکی، هیدرولوژیکی و بهره برداری سیستم های انتقال آب طراحی شده است. در این کنترل گر سعی در حداقل کردنخطای سطح آب است. برای بررسی قابلیت کنترل گر توسعه داده شده در ثابت نگه داشتن تراز سطح آب در زمان کاهش و افزایش همزمان دبی ورودی به کانال و نیاز آبگیرهای کانال، گزینه ی بهره برداری در نظر گرفته شد. در کنترل گر پایین دست خطای سطح آب در ابتدای زمان بهره برداری، در مقایسه با شرایط موجود، برای هر یک از سازه ها 5/87، 87 و 87 درصد و در زمان 18 ساعت 97، 5/99 و 7/99 درصد بهبود به دست آمد. میزان بهبود خطای سطح آب نسبت به شرایط موجود در کنترل گر بالادست در شروع شبیه سازی 75، 93 و 92 درصد، برای زمان 12 ساعت 27، 97 و 96 درصد و برای زمان 18 ساعت 77، 94 و 98 درصد به دست آمد. با توجه به نتایجپژوهش، خطای سطح آب در کنترل گر کنترل از پایین دست کمتر از خطای سطح آب درکنترل از بالادست به دست آمد. زمان پاسخ سیستم در کنترل گر کنترل از بالادست کمتر از کنترل از پایین دست به دست آمد.

با توجه به نیاز مبرم مطالعات مهندسی هیدرولیک به تعیین اندازه ی رسوبات سطحی و در معرض جریان بستر، و با توجه به مشکلات بسیار در تعیین آنها با روش های اندازه گیری دستی و آزمون های دانه بندی با الک در آزمایشگاه، در تحقیق حاضر الگوریتمی توسعه داده شده است که می تواند با تهیه ی تعدادی تصویر از بستر حین بازدید میدانی و تهیه ی اطلاعات کاربری اراضی، کمک شایانی به سهولت مطالعه، تسریع روند آن و افزایش دقت مدل سازی کند. برای بررسی صحت و دقت این الگوریتم در مقابل روش دانه بندی مرسوم مکانیک خاک، از چهار دوربین دیجیتال مختلف (با قدرت تفکیک 6، 10، 1/12 و 14 مگاپیکسل) و دو اندازه قاب تصویر مربعی (به ابعاد 5/0 و 1 متر) هم در شرایط خشک و هم در شرایط جریان ناچیز آب، در بازه ای 5 کیلومتری از مسیر رودخانه ی سیرچ در شمال شرق کرمان برای تصویربرداری و نمونه برداری رسوب استفاده شد. نتایج به دست آمده در بستر خشک نشان می دهد که دوربین های با توان تفکیک بالا کمترین میزان خطا را در برآورد قطر متوسط مصالح دارند. هرچند به علت یکنواخت بودن ذرات بستر، عملکرد دوربین های 6 و 14 مگاپیکسلی ( با حداکثر میزان اختلاف در برآورد قطر متوسط کمتر از 12 درصد) نیز قابل قبول است. دوربین های 1/12 و 10 مگاپیکسل نیز به ترتیب کمترین خطا را در برآورد حداکثر قطر ذرات به دست داده اند. در بسترهای تر، محاسبات حاکی از آن است که نتایج حاصل از پردازش تصویرهای به دست آمده از دوربین با توان تفکیک پایین 6 مگاپیکسلی، اختلاف زیادی با دیگر دوربین ها، خصوصاً در توزیع منحنی دانه بندی و نیز مشخصات آماری ذرات بستر، دارد. بررسی مشخصات آماری روی توزیع دانه بندی مصالح سطحی بستر رودخانه نشان می دهد که قطر متوسط، قطر حداکثر و انحراف از معیار ذرات به دست آمده از دوربین با توان تفکیک 10 مگاپیکسل بیشتر از آنهایی است که از دیگر دوربین ها به دست آمده است. در یک جمع بندی کلی می توان گفت که ارتباط مستقیمی بین پارامترهای ابعاد تصویر (فریم)، قدرت تفکیک دوربین و فاصله ی آن از بستر آبراهه وجود دارد و با کاهش قدرت تفکیک دوربین در یک فریم ثابت، حتماً باید فاصله ی دوربین نسبت به بستر آبراهه افزایش یابد و برعکس. نتایج همچنین نشان می دهد که در آبراهه های دارای توزیع دانه بندی نسبتاً یکنواخت، می توان از هر دوربینی استفاده کرد. اما در آبراهه های دارای بستر درشت دانه یا ریزدانه بهتر است از دوربین های با توان تفکیک به ترتیب پایین و بالا استفاده کرد.

شکل مقطع کانال های مصنوعی و طراحی بهینه ی آن با روش های هوشمند، می تواند تاثیری چشمگیر در کاهش هزینه ی ساخت این کانال ها داشته باشد. در پژوهش حاضر، برای نخستین بار به معرفی کانال مصنوعی با مقطع چرخزاد وارونه و طراحی بهینه ی آن با الگوریتم خفاش پرداخته شده است. مقطع پیشنهادی، در دو طرح شامل چرخزاد وارونه بدون بستر افقی و چرخزاد وارونه با بستر افقی در نظر گرفته شده است. به منظور طراحی بهینه ی مقاطع معرفی شده، دو سناریو شامل کانال با ارتفاع آزاد ثابت و کانال با ارتفاع آزاد متغیر، تعریف شده است. در هر دو سناریو از معادله ی مانینگ به عنوان محدودیت و از معادله ی هورتون برای در نظر گرفتن ضریب زبری معادل استفاده شد. بر اساس روش آنالیز حساسیت، مقادیر بهینه ی پارامترهای الگوریتم پیشنهادی تعیین و پس از آن، الگوریتم خفاش برای هر مقطع و سناریو به صورت تصادفی پانزده بار اجرا و مقدار ضریب تغییرات و سرعت همگرایی محاسبه شده است. به منظور بررسی دقت الگوریتم خفاش در تعیین مقدار بهینه ی مطلق، بین جواب های این الگوریتم و نرم افزار لینگو مقایسه صورت گرفته است. نتایج طراحی بهینه مقاطع پیشنهادی، با کانال های ذوزنقه ای، سهمی با بستر افقی، بیضوی و بیضوی عمومی نیز مقایسه شد. نتایج اجراهای تصادفی الگوریتم خفاشنشان می دهد ضریب تغییرات برای مقاطع و سناریو های معرفی شده حدود 0002/0 تا 0013/0 است. با توجه به نمودار های همگرایی، الگوریتم مذکور برای همه ی مقاطع و سناریو ها در 1000 تکرار همگرا شده است. مقایسه ی نتایج الگوریتم خفاش و نرم افزار لینگو نیز بیان کننده ی دقت بالای الگوریتم مذکور در تعیین بهینه ی مطلق مسئله است. استفاده از مقاطع پیشنهادی در مقایسه با دیگر مقاطع متداول، موجب می شود هزینه ی ساخت کانال مصنوعی تا 7/34 درصد کاهش یابد. در میان مقاطع و سناریو های بررسی شده، استفاده از مقطع چرخزاد وارونه تحت سناریوی دوم تا 15/17 درصد اقتصادی تر است.

در این تحقیق اثر شبکه ای از سوراخ ها در کف حوضچه آرامش بر مشخصات اصلی پرش هیدرولیکی ازجمله نسبت اعماق مزدوج و طول پرش مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا با تحلیل ریاضی و توسعهرابطه اندازه حرکت معادله ای برای محاسبه مستقیم نسبت اعماق مزدوج در حالتی که دبی جریان در امتداد حوضچه کاهش می یابد به دست آمد. سپس با استفاده از یک کانال آزمایشگاهی به طول 6 متر و عرض 8/0 متر مجهز به شبکه ای از شیرها در کف، آزمایش هایی به منظور بررسی رفتار و مشخصات پرش در این حالت انجام شد و نتایج با مقادیر اندازه گیری شده برای پرش کلاسیک روی بستر صاف مقایسه گردید. بازه اعداد فرود مورد بررسی در آزمایش ها بین 3/5 تا 4/7 بود. نسبت دبی باقیمانده در پایین دست به دبی ورودی به کانال نیزبین 98/0 تا 995/0 قرار داشت. نتایج ازمایش ها نشان داد که نسبت اعماق مزدوج پرش حداکثر 19 درصد نسبت به پرش روی بستر صاف و 12 درصد نسبت به مقدار محاسبه شده از رابطه تحلیلی کاهش می یابد. همچنین طول پرش در این حالت حداکثر به میزان 29 درصد نسبت به پرش کلاسیک کاهش یافت.

با توجه به کارایی مناسب سرریزهای لابیرنت، تحقیقات بسیاری در زمینة مزایا و کاربرد این سرریزها صورت گرفته است. این تحقیق به منظور بررسی هیدرولیک جریان و تاثیر سازه ی ترکیبی سرریز-دریچه بر میزان آبشستگی در پایین دست سازه، به صورت آزمایشگاهی اجرا شده است. در این تحقیق 12 آزمایش در 3 دبی متفاوت 10، 15 و 20 لیتر بر ثانیه برای حالت جریان از روی سرریز و جریان همزمان از روی سرریز-دریچه برای دو مدل سرریز خطی و لابیرنت اجرا شده است. نتایج تحقیقات نشان می دهد که در سرریز لابیرنت با تخلیه ی بیشتر انرژی در محل برخورد با کف بند، امکان انتقال بیشتر رسوبات به پایین دست کاهش می یابد و ارتفاع موج ماسه در پایین دست کف بند بیشتر است. با افزایش فرود ذره برای عمق پایاب ثابت بیشینه ی عمق آبشستگی و طول گودال آبشستگی افزایش پیدا می کند. در جریان همزمان از روی سرریز و دریچه، در سرریزهای لابیرنت و سرریزهای خطی بیشینه ی عمق آبشستگی و طول حفره ی آبشستگی نسبت به جریان از روی سرریز افزایش پیدا می کند. بیشینه ی عمق آبشستگی و طول حفره ی آبشستگی با افزایش دبی افزایش می یابد و مقدار آن در سرریزهای لابیرنت، نسبت به سرریز خطی، در تمام حالات کمتر است.

مدول ها سازه هایی هستند که به رغم نوسانات سطح آب در کانال های آبیاری، دبی نسبتاً ثابتی تحویل می دهند. از جمله این سازه ها، مدول های تیغه ای هستند که بر مبنای مطالعات نظری و آزمایشگاهی روش-های مختلفی برای تعیین ابعاد آنها معرفی شده است. تعیین ضوابط و بهترین روش طراحی آنها نیازمند آزمون آزمایشگاهی است؛ این ضوابط برای ظرفیت های پایین تعیین شده و عملکرد بسیار مطلوب آنها به اثبات رسیده است. چنین مدول هایی قابلیت کاربرد برای دبی های بالاتر را هم دارند اما به دلیل بررسی پدیده ی اثر مقیاس در مدل های آزمایشگاهی همچون سرریزها، استفاده از این مدل ها در ظرفیت های بالاتر زمان بر و هزینه بر است. با توجه به نوع طراحی مدول های تیغه ای، تعیین حساسیت ارتفاع تیغه ها در تعیین سهم جریان عبوری از سرریز تیغه ها نسبت به کل دبی و سهم دبی هر مجرا اهمیت ویژه ای دارد که تعیین آنها در مدل های آزمایشگاهی امکان پذیر نیست. از این رو، تحقیق حاضر با هدف ارزیابی کاربرد مدل های عددی سه بعدی در شبیه سازیجریان در مدول های تیغه ای برای بازتولید داده های مشاهده ای، تعیین سهم جریان عبوری از سرریز تیغه ها نسبت به کل دبی، سهم جریان عبوری از هر یک از مجراهای موازی و امکان سنجی استفاده از معادلات دبی-اشل برای سرریزها به اجرا درآمد. به کارگیری نرم افزار Flow-3Dنشان داد که این ابزار در شرایط تحت آزمون، نتایج بسیار قابل اعتمادی ارائه می دهد و قابلیت کاربرد را برای تعیین ضوابط طراحی مدول ها برای ظرفیت های بالا، تعیین میزان جریان عبوری از هر مجرا و سرریز تیغه ها دارد و بنابراین به عنوان جایگزینی برای بررسی های آزمایشگاهی یا محدود کردن نیاز به ابزار آزمایشگاهی، با میانگین قدرمطلق خطای نسبی حدود 7/1 درصد برای ظرفیت 14 لیتر بر ثانیه، 97/3 درصد برای ظرفیت 10 لیتر بر ثانیه، 22/5 درصد برای ظرفیت 7 لیتر بر ثانیه و 94/7 درصد برای ظرفیت 4 لیتر بر ثانیه توصیه می شود.

زهکشی و بهبود پارامترهای مقاومتی خاک در اکثر پروژه های معدنی و ژئوتکنیکی اجتناب ناپذیر است. از این رو، الکتروکینتیک ژئوسینتتیک به عنوان یک فناوری بنیادین، قادر به افزایش پایداری و تثبیت خاک های ریزدانه است و از ترکیب عملکرد الکتروکینتیک و جریان الکترواسمز، به همراه کاربرد ژئوسینتتیک ها به دست می آید. در این پژوهش، برای ارتقا و بهبود فرآیند الکتروکینتیک ژئوسینتتیک، الکترودی بر پایه ی ژئوتکستایل و به روش پلیمریزاسیون شیمیایی ساخته شد. بدین منظور، الیاف نارسانای ورقه ژئوتکستایل با بهره گیری از پوشش دهی با پلیمر رسانای پیرول (با استفاده از دو نوع اکسیدان) و پلیمر رسانای آنیلین، به همراه افزودن چهار نوع نانو ذره ی متفاوت، به الیاف رسانا تبدیل گردید. برای ارزیابیکارایی الکترود ژئوسینتتیک، در مقایسه با الکترود مسی، مدلی فیزیکی طراحی و از رس کائولینیت اشباع پُر شد و تحت تاثیر فرآیند الکترواسمز زهکشی گردید. نتایج به دست آمده نشان می دهد که پوشش دهی با پلیمر پیرول، تنها به صورت تشکیل لایه در اطراف الیاف ژئوتکستایل بود و انسدادی در تخلخل الیاف ایجاد نکرد. بنابراین، غشای مذکور پس از پوشش دهی، قابلیت همزمان به کارگیری به عنوان فیلتر و الکترود را داراست و پس از اتمام فرآیند الکتروکینتیک و بدون خارج سازی از محیط، می تواند به عنوان فیلتر در محیط خاکی باقی بماند. نتایج این بررسی همچنین نشان داد که در شرایط فرآیند الکترواسمز، الکترود ژئوسینتتیک با حداقل مقاومت اندازه گیری شده 670 اهم در حداکثر فشار 083/0 (کیلوگرم. نیرو بر سانتی مترمربع)، قادر به زهکشی 43 میلی لیتر آب است که در مقایسه با الکترود مسی و شرایط مشابه، تنها 14 درصد کاهش داشته است.