پژوهش آب ایران

پژوهش آب ایران

بررسی ساختار جریان آشفته و تعیین فاصله‌ در بین آب‌شکن‌های متوالی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش آموخته مهندسی سازه های آبی، دانشگاه صنعتی اصفهان
2 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران.
3 گروه مهندسی عمران، دانشگاه لیک هد، تاندر بی، اونتاریو، کانادا
چکیده
این پژوهش با هدف بررسی جامع فاصله بهینه میان آب‌شکن‌های متوالی، با تمرکز بر ویژگی‌های جریان آشفته و ناحیه سکون تشکیل‌شده در پایین‌دست، به‌صورت آزمایشگاهی انجام شده است. آزمایش‌ها در یک فلوم مستطیلی آزمایشگاهی با استفاده از دو نوع آب‌شکن نفوذپذیر (از نوع گابیونی با تخلخل ۴۱ درصد) و نفوذناپذیر، در سه عرض مختلف (۲۰، ۳۰ و ۵۰ سانتی‌متر) و تحت شرایط مختلف هیدرولیکی شامل سه دبی جریان (۲۹، ۴۹ و ۶۵ لیتر بر ثانیه) و نسبت‌های متفاوتی از استغراق، اجرا شدند. به‌منظور تعیین دقیق طول ناحیه سکون، از روش تزریق رنگ برای ردیابی الگوهای جریان استفاده شد. نتایج نشان داد که افزایش عرض آب‌شکن و دبی جریان موجب افزایش قابل‌توجه در طول ناحیه سکون می‌شود و با افزایش نسبت استغراق، طول ناحیه سکون کاهش قابل ملاحظه‌ای می‌یابد. دلیل این کاهش آن است که در حالت استغراق بالا، تأثیر سازه بر جریان پایین‌دست کاهش می‌یابد، در نتیجه ساختار گردابه‌ها تضعیف شده و ناحیه سکون کوچک‌تری ایجاد می‌شود. همچنین آب‌شکن‌های نفوذپذیر، به دلیل ویژگی کاهش تمرکز جریان، ناحیه سکون بزرگ‌تری نسبت به آب‌شکن‌های نفوذناپذیر ایجاد کردند. در این آزمایش نسبت فاصله‌ ‌ به عرض آب‌شکن‌ در بازه‌ی 2 تا 7 قرار گرفت و تحلیل‌ها نشان دادند که فاصله بهینه میان آب‌شکن‌ها زمانی حاصل می‌شود که ابتدای آب‌شکن بعدی در انتهای ناحیه سکون آب‌شکن قبلی قرار گیرد. این وضعیت منجر به حداکثرسازی اثربخشی سازه در کاهش سرعت جریان و بهبود عملکرد آن در کنترل فرسایش سواحل می‌گردد. در ادامه، یک رابطه تجربی بر پایه داده‌های آزمایشگاهی برای برآورد فاصله بهینه آب‌شکن‌ها استخراج شد. یافته‌های این تحقیق می‌تواند راهنمای مناسبی برای بهینه‌سازی طراحی سیستم‌های آب‌شکن در پروژه‌های مهندسی رودخانه باشد و درک بهتری از فرآیندهای هیدرولیکی مؤثر در پایداری سازه‌های ساحلی فراهم آورد
کلیدواژه‌ها

1- Akbar, Z. Pasha, G.A. Tanaka, N. Ghani, U. and Hamidifar, H., 2024. Reducing bed scour in meandering channel bends using spur dikes. International Journal of Sediment Research, 39(2), pp.243-256.      https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2024.01.001
 
2- Arora, S. Patel, H.K. Lade, A.D. and Kumar, B., 2023. Turbulence structure and bank erosion process in a dredged channel. River Research and Applications, 39(4), pp.613-628.  
 
3- Aung, H. Onorati, B. Oliveto, G. and Yu, G., 2023. Riverbed morphologies induced by local scour processes at single spur dike and spur dikes in cascade. Water, 15(9), pp.1746. 
 
4- Bahrami-Yarahmadi, M. Pagliara, S. Yabarehpour, E. and Najafi, N., 2020. Study of scour and flow patterns around triangular-shaped spur dikes. KSCE Journal of Civil Engineering, 24(11), pp.3279-3288.         https://doi.org/10.1007/s12205-020-2261-x
 
5- Chardon, V. Schmitt, L. and Clutier, A., 2022. Bank re‐erosion action to promote sediment supply and channel diversification: Feedback from a restoration test on the Rhine. River Research and Applications,38(5),pp.975-987.         https://doi.org/10.1002/rra.3968
 
6- Duan, J.G., 2009. Mean flow and turbulence around a laboratory spur dike. Journal of Hydraulic  Engineering,135(10),pp.803-811. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.19437900.0000077
 
7- Ezzeldin, R.M., 2019. Numerical and experimental investigation for the effect of permeability of spur dikes on local scour. Journal of Hydroinformatics, 21(2), pp.335-342.
 
8- El-Rashedy, S.F., Ezzeldin, M.M. and Sarhan, T.A., 2018. Influence of spur dikes shapes on scour characteristics. International Journal of Scientific and Engineering Research, 9(6), pp.1285–1301.
 
9- Gill, M.A., 1972. Erosion of sand beds around spur dikes. Journal of the Hydraulics Division, 98(9), pp.1587-1602.       https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0003406
 
10- Hu, J. Wang, P. Zhang, J. Wang, M. Chen, Y. and Zhao, C., 2020. Measurement and Characteristic Analysis of Turbulent Flow near Permeable Spur Dike. Instrumentation, Mesures, Métrologies, 19(5).   https://doi.org/10.18280/i2m.190503
 
 11- Hu, J. Wang, G. Wang, P. Yu, T. and Chen, H., 2022. Experimental study on the influence of new permeable spur dikes on local scour of navigation channel. Sustainability, 15(1), pp.570.
 
12- Iqbal, S., Pasha, G.A. Ghani, U. Ullah, M.K. and Ahmed, A., 2021. Flow dynamics around permeable spur dike in a rectangular channel. Arabian Journal for Science and Engineering, 46(5), pp.4999-5011.   https://doi.org/10.1007/s13369-020-05205-y
 
13- Jarrahzadeh, F., Kashfipour, M. and Shafaei-Bajestan, M., 2017. The effect of the angle of placement in three types of permeable, impermeable and bandal-like floodgates in submerged conditions on the geometric dimensions of scour. Irrigation Science and Engineering, 40(2), pp.1-14.[In Persian]   https://doi.org/10.22055/jise.2017.13153
 
14- Karami, H. Ardeshir, A. Behzadian, K. and Ghodsian, M., 2011. Protective spur dike for scour mitigation of existing spur dikes. Journal of Hydraulic Research, 49(6), pp.809-813. https://doi.org/10.1080/00221686.2011.625166
 
15- Kang, S. Lee, J. Kim, Y. and Khosronejad, A., 2023. Experimental and numerical study on the flow characteristics around spur dikes at different length-to-depth ratios. Advances in Water Resources, 175, pp.104428. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2023.104428
 
16- Koken, M., 2011. Coherent structures around isolated spur dikes at various approach flow angles. Journal of Hydraulic Research, 49(6), pp.736-743.https://doi.org/10.1080/00221686.2011.616316
 
17- Li, G. Sui, J. and Sediqi, S., 2024. Turbulent flow structure around a single submerged angled spur dike under ice cover. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 72(4), pp.522-537.
 
18- Melville, B.W. and Chiew, Y.M., 1999. Time scale for local scour at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 125(1), pp.59-65.
 
19- Melville, B.W. and Coleman, S.E., 2000. Bridge Scour. Water Resources Publications. 572p.
 
20- Pandey, M. Ahmad, Z. and Sharma, P.K., 2018. Scour around impermeable spur dikes: a review. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 24(1), pp.25-44. https://doi.org/10.1080/09715010.2017.1342571
 
21- Qi, H. Wang, J. Zou, W. Luo, W. Tian, W. and Li, J., 2024. Characteristics and mechanism of local scour reduction around spur dike using the collar in clear water. Scientific Reports, 14(1), pp.12299. https://doi.org/10.1038/s41598-024-63131-7
 
22- Rajaratnam, N. and Nwachukwu, B.A., 1983. Flow near groin-like structures. Journal of Hydraulic Engineering,109(3),pp.463-480. https://doi.org/10.1061/(ASCE)07339429(1983)109:3(463)
 
23- Shampa, Hasegawa, Y. Nakagawa, H. Takebayashi, H. and Kawaike, K., 2020. Three-dimensional flow characteristics in slit-type permeable spur dike fields: efficacy in riverbank protection. Water, 12(4), pp.964. https://doi.org/10.3390/w12040964
 
24- Wu, B. Wang, G. Ma, J. and Zhang, R., 2005. Case study: River training and its effects on fluvial processes in the Lower Yellow River, China. Journal of Hydraulic Engineering, 131(2), pp.85-96.   https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2005)131:2(85)
 
25- Xu, H., LI, Y., Zhao, Z., Wang, X. and Zhang, F. 2023. Experimental Study on the Local Scour of Submerged Spur Dike Heads under the Protection of Soft Mattress in Plain Sand-Bed Rivers. Water, 15, 413  https://doi.org/10.3390/w15030413
 
26- Yang, X. Zhang, S. Li, W. Tang, C. Zhang, J. Schwindt, S. Wieprecht, S. and Wang, T., 2022. Impact of the construction of a dam and spur dikes on the hydraulic habitat of Megalobrama terminalis spawning sites: a case study in the Beijiang River (China). Ecological Indicators, 143, pp.109361.   https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2022.109361
 
27- Zhang, H. Nakagawa, H. and Mizutani, H., 2012. Bed morphology and grain size characteristics around a spur dyke. International Journal of Sediment Research, 27(2), pp.141-157 https://doi.org/10.1016/S1001-6279(12)60023-7
 
28- Zhang, H. Nakagawa, H. Ogura, M. and Mizutani, H., 2013. Experiment study on channel bed characteristics around spur dykes of different shapes. Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. A2 (Applied Mechanics (AM)), 69(2), pp.489-499. https://doi.org/10.2208/jscejam.69.I_489
 

  • تاریخ دریافت 08 خرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 28 خرداد 1404
  • تاریخ انتشار 01 آبان 1404