بررسی تجربی و عددی اثرات انسداد ورودی بر جریان در کالورت

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسندگان

1 دانشجو دکتری سازه‌های آبی، گروه مهندسی آب، دانشگاه بوعلی سینا، همدان

2 گروه مهندسی آب دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا همدان، همدان، ایران

3 دانشیار، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشگاه تهران

چکیده

کالورت‌ها یکی از سازه‌های اصلی سامانه‌های زهکشی در راه‌ها و خطوط ریلی، و گزینه رقیب پل هستند. پدیده انسداد در کالورت‌ها، بدلیل جریان آب همراه با انتقال رسوبات و مواد زائد و شناور، بخصوص در سیلاب یک مشکل اساسی است. در تحقیق حاضر اثرات درصدهای مختلف انسداد در ورودی کالورت‌ها در 21 مطالعه آزمایشگاهی بررسی شده‌است. برای تکمیل آزمون‌ها، این اثرات با مدل FLOW-3D شبیه‌سازی گردیده است. پایداری و حساسیت مدل به پنج عامل: 1- اندازه شبکه محاسبات، 2- گام زمانی، 3- مدل تلاطمی 4- زبری و 5- شیب کالورت مورد آزمون قرار گرفت. مدل تلاطمی RNG ، شبکه بهینه تو در تو با اندازه 0/1 و 5/0 سانتی‌متر (برای بلوک خارجی و داخلی)، و زمان شبیه‌سازی 80 ثانیه انتخاب شد. متوسط خطای برآورد برای سرعت متوسط، عمق آب و بده جریان به ترتیب 3، 1 و 3 درصد است. چهار سناریو انسداد (20، 40، 60 و 80 درصد) در نظر گرفته شد. نتایج نشان داد که انسداد ورودی کالورت با افزایش تراز آب بالادست باعث تغییر الگوی جریان در داخل کالورت و پایین دست سازه خواهد شد. در شرایط حداقل و حداکثر انسداد (20 و80 درصد) افزایش تراز آب بالادست به ترتیب برابر با 12 و 52 درصد بود. تاثیر انسداد ورودی کالورت برای بده طراحی، کمترین مقدار بوده است. در بده‌های کمتر، شدت افزایش ترازبالادست با افزایش انسداد، بیشتر (تا حدود 2 برابر) می‌گردد. نتایج نشان‌دهنده افزایش توان جریان در پایانه کالورت و خطر خرابی سازه در اثر آبشستگی ناشی از انسداد ورودی است.

کلیدواژه‌ها


Abad, D. Bruce, L. Günerlap, I. and García, H. (2008). Flow structure at different stages in meander-bend with bendway weirs. J. Hydraulic Eng, 134(8), 1052-1063.
Barnard, R.J., Yokers, S., Nagygyor, A. and Quinn, T. (2015). An evaluation of the stream simulation culvert design method in Washington State. River Research and Applications, 31(10), 1376-1387.
Brethour, J. and Burnham, J. (2010). Modeling sediment erosion and deposition with the FLOW-3D sedimentation & scour model. Flow Science Technical Note, FSI-10-TN85, 1-22.
Bodhaine, G.L. (1968) Measurement of peak discharge at culverts by indirect methods. US Government Printing Office.
Ettema, R. and Muste, M. (2004). Scale effects in flume experiments on flow around a spur dike in flatbed channel. J. Hydraulic Eng., 130(7), 35-646.
French, R. and Jones, M., (2015). Discussion on “Blockage effects on scouring downstream of box culverts under unsteady flow” by S Sorourian, A Keshavarzi, J Ball and B Samali. Australas. J. Water Resour, 19(2), 153-155.
Ho, H.C. (2010). Investigation of unsteady and non-uniform flow and sediment transport characteristics at culvert sites. Ph.D. Thesis, University Of Iowa, Iowa, US.
Ho, H.C., Muste, M. and Ettema, R. (2013). Sediment self-cleaning multi-box culverts. J. Hydraul. Res. IAHR, 51(1), 92-101.
Günal, M., Günal, A. Y., & Osman, K. (2019). Simulation of blockage effects on scouring downstream of box culverts under unsteady flow conditions. International Journal of Environmental Science and Technology, 16(9), 5305-5310.
Galán, Á. and González, J. (2020). Effects of shape, inlet blockage and wing walls on local scour at the outlet of non-submerged culverts: undermining of the embankment. Environmental Earth Sciences, 79(1), 25.
May, L.W. (1999). Hydraulic Design Handbook. McGrew-Hill.
Norman, J.M., Houghtalen, R.J. and Johnston, W.J. (2001). Hydraulic design of highway culverts. Hydraulic design series No. 5 (HDS-5), Federal Highway Administration. FHWA, Washington, D.C.
Rigby, E. H., Boyd, M. J., Roso, S., Silveri, P. and Davis, A. (2002). Causes and Effects of Culvert Blockage during Large Storms. Proc. 9th Int. Conf. on Urban Drainage, Portland, Oregon, USA, September 8-13.
Rigby, E.H. and Barthelmess, A.J. (2011). Culvert blockage mechanisms and their impact on flood behaviour-are all blockages created equal?. In Proceedings of the 34th World Congress of the International Association for Hydro-Environment Research and Engineering, Brisbane, Australia. 380–387.
Sabbagh-Yazdi, S. R., Rostami, F. and Mastorakis, N.E. (2007). Turbulent modeling effects on finite volume solution of three dimensional aerated hydraulic jumps using volume of fluid. In Proceedings of the 12th WSEAS International Conference on Applied Mathematics. Stevens Point, Wisconsin, USA. 168-174.
Salamat Ravandi, N. (2011) Modeling of flow on weir in channel turn using FLOW- 3D. MSc Thesis, Unversity of Urmia, Urmia, Iran. (In Persian)
Sorourian, S., Keshavarzi, A.R. and Ball, J. (2015). Scour at partially blocked box-culverts under steady flow. Proc. Inst. Civ. Eng. Water Manage. 15(19), 1-13.
Publication 321. (2004). Hydraulic design guid of siphones and culverts. Iran water resource management company, Ministry of power, Iran. (In Persian)
Weeks, W., Barthelmess, A., Rigby, E. and Witheridge, G. (2009). Australian Rainfall and Runoff Revision, Project11: Blockage of Hydraulic Structures. Engineers Australia.