Experimental Study on the Effect of Discharge and Tailwater Depth on Bed Topography Downstream of a Piano Key Weir

Document Type : Research Article

Authors

1 Tarbiat Modarres University

2 Tarbiat Modarres

Abstract

سرریز غیر خطی کلید‌پیانویی در مقایسه با سرریز خطی ضمن آبگذری بیشتر، ساختاری به نسبت ساده دارد و سازه‌ای اقتصادی است. مزیت‌های دیگر سرریزهای کلیدپیانویی عبارتند از: دبی بر واحد عرض عبوری از سرریز را تا 100 مترمکعب بر ثانیه بر متر افزایش می‌دهند، دبی عبوری از این نوع سرریزها حداقل 4 برابر سرریزهای معمولی (خطی) است، باعث افزایش ظرفیت مخزن می‌شوند و از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه‌تر بوده و هزینه نگهداری کمتری دارند. این ویژگی‌های سرریزهای کلید پیانویی، آنها را به سازه‌های کارآمدی تبدیل کرده است.
تمامی آزمایش‌ها در یک کانال مستطیلی به عرض 75 سانتی‌متر، با کف فلزی، دیواره‌ی شیشه‌ای و ارتفاع 80 سانتی‌متر واقع در آزمایشگاه هیدرولیک گروه مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشگاه تربیت مدرس تهران انجام شد. جریان آب از یک مخزن زیر زمینی به وسیله یک پمپ با حداکثر دبی 85 لیتر بر ثانیه تامین می‌شد. مخزنی به عرض 05/2 متر در بالادست از طریق یک تبدیل به کانال وصل شده است. تنظیم عمق جریان در کانال به وسیله دریچه تعبیه شده در انتهای کانال انجام می‌شد. سرریز کلیدپیانویی مورد نظر در فاصله 1 متری از ابتدای انحنای کانال نصب و آب‌بندی آن انجام ‌شد. تمامی آزمایش‌ها با سرریز در شرایط جریان آزاد انجام شد. در پایین‌دست سرریز، لایه‌ای از رسوبات یکنواخت با قطر متوسط 64/1 میلی‌متر، انحراف معیار هندسی 24/1، ارتفاع 5/42 سانتی‌متر و طول 2 متر قرار داده شد.
در این تحقیق سرریز کلیدپیانویی نوع A ذوزنقه‌ای شکل، از جنس ترموپلاستیک (فیلامنت رایج PLA) با ضخامت 2/1 سانتی‌متر استفاده شد. هر سرریز دارای 6 کلید (3 کلید ورودی و 3 کلید خروجی) و عرض 75 سانتی‌متر (هم عرض کانال)، طول تاج (B)و ارتفاع خالص (P) به ترتیب 50 و 20 سانتی‌متر می‌باشد.
دبی جریان با دستگاه دبی‌سنج ثبت می‌گردید. آزمایش‌ها با سه دبی‌ 03/0، 04/0 و 05/0 متر مکعب‌بر‌ثانیه و پنج عمق پایاب از 08/0 تا 18/0 متر انجام شد. در طول آزمایش عمق آبشستگی و پروفیل بستر در دیواره سمت راست و سمت چپ کانال، با استفاده از عکس‌برداری با دوربین اندازه‌گیری و ثبت می‌شد. در انتهای هر آزمایش با خاموش کردن پمپ آب، جریان آب به صورت تدریجی کاهش یافته و از کانال خارج و زهکشی آن صورت می‌گرفت. سپس توپوگرافی کامل بستر با استفاده از دستگاه برداشت توپوگرافی لیزری با دقت 1 میلی‌متر اندازه می‌گردید. در این شکل x فاصله طولی از دیوار پایین‌دست سرریز و y فاصله عرضی از دیوار سمت‌راست کانال است. فواصل نقاط برداشت پروفیل بستر در محدوده حفره‌ی آبشستگی 3 سانتی-متر و در پایین‌دست آن 5 سانتی‌متر بود.

با توجه به منحنی تغییرات زمانی عمق آبشستگی پایین‌دست سرریز برای دبی‌ها و عمق‌های پایاب مختلف مشاهده گردید که که قسمت اعظم آبشستگی در دقایق اولیه آزمایش رخ داده و سپس نرخ آبشستگی به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. همچنین مشاهده می‌گردد که با افزایش عمق پایاب، عمق آبشستگی در پایین‌دست سرریز روند کاهشی دارد. زیرا افزایش عمق پایاب، کاهش ارتفاع ریزش جریان و در نتیجه کاهش سرعت جریان برخوردی به پایاب را به همرا دارد. در نتیجه از قدرت تخریبی جریان کاسته شده و عمق آبشستگی کاهش می‌یابد. همچنین مشاهده می‌گردد که بیشترین عمق آبشستگی در تمام دبی‌ها در دیواره سمت راست و کمترین عمق آبشستگی در دیواره سمت چپ رخ داده است. همچنین مشاهده می-گردد که با افزایش عمق پایاب در دیواره سمت چپ شاهد افزایش 2 درصدی عمق آبشستگی و در دیواره سمت راست حدود 5/21 درصد کاهش آن هستیم.

با توجه به توپوگرافی بستر پایین‌دست سرریز کلیدپیانویی روشن است که تغییرات ایجاد شده در بستر تابع مقادیر دبی و عمق پایاب است و بسته به عملکرد و شرایط هیدرولیکی جریان، موقعیت عمق ماکزیمم و گستردگی این حفره‌ها در عرض و طول کانال متغییر است. همچنین مشاهده می‌شود حفره‌ی آبشستگی پایین‌دست سرریز، نسبت به محور طولی کانال تقارن ندارد که به دلیل اثرگذاری کلیدهای ورودی و خروجی بر روی جهت جریان خروجی از روی سرریز می‌باشد. البته می‌توان گفت الگوی کلی آبشستگی در شرایط مختلف تقریباً مشابه است.
تغییرات حداکثر عمق آبشستگی در پایین‌دست سرریز، در حدود 8/5 تا 8/8 برابر عمق آب روی سرریز می‌باشد. با توجه به این شکل روشن است که موقعیت وقوع حداکثر عمق آبشستگی نیز تابع دبی و عمق پایاب است و در فاصله‌ی 15 الی 27 سانتی-متری از پاشنه‌ی سرریز اندازه‌گیری شده است.

نتایج آزمایشگاهی نشان داد که بیشترین کاهش تراز بستر یا آبشستگی در پاشنه سرریز، در تمامی دبی‌ها در حالت کمترین عمق پایاب (8، 5/9 و 11 سانتی‌متر)، رخ داده است. زیرا در عمق پایاب کمتر، جریان با سرعت بیشتری به پایین دست برخورد می‌کند و در نتیجه در این حالت مقدار آبشستگی و کاهش تراز بستر بیشتر است. همچنین در حالت عمق پایاب کمتر، به علت آشفتگی بیشتر جریان، تغییرات عرضی بستر بیشتر است.
با توجه به پروفیل طولی بستر در میانه‌ی کانال در حالت بیشینه و کمینه آبشستگی مشاهده می‌گردد که روند تعییرات بستر در تمامی آزمایش‌ها تقریباً مشابه است بطوریکه در پاشنه‌ی سرریز آبشستگی رخ داده و با فاصله گرفتن از سرریز، آبشستگی بیشتر شده و در انتهای کانال تغییرات جزئی مشاهده می‌گردد. همچنین مشاهده می‌گردد که با افزایش عمق پایاب، عمق آبشستگی کاهش یافته، محل وقوع حداکثر عمق آبشستگی از پاشنه‌ی سرریز دورتر می‌شود و گسترش طولی حفره افزایش یافته است.
حفره‌ی آبشستگی در جهت محور طولی کانال تقارن ندارند. این حفره از دو بخش تشکیل شده‌است بخش اول که به دلیل وجود انرژی جنبشی ناشی از جت به پایین‌دست کشیده شده و بخش بعدی به علت جریان‌های برگشتی به سمت بالادست کشیده شده است. بخش اول به دلیل قدرت جت جریان، قسمت اعظم این حفره را در بر می‌گیرد، مشاهده گردید که در تمامی آزمایشات حفره‌ی آبشستگی به سمت پایین‌دست توسعه‌ی بیشتری داشته ‌است. با مقایسه‌ی این آزمایش‌ها مشاهده می‌شود که با افزایش عمق پایاب از میزان پیش‌روی حفره‌ی آبشستگی، به سمت پایین‌دست کاسته شده است. مقادیر طول بالادست حفره آبشستگی بین 3/6 و 4 و مقادیر طول پایین دست حفره آبشستگی بین 2/13 تا 6/20برابر عمق جریان روی سرریز اندازه گیری شده است.

Keywords


Ahmadi Dehrashid, F. and Gohari, S. (2016). Investigating the effect of discharge and tailwater depth on the dimensions of score hole downstream of a Piano Key Weir. International Conference on Civil Engineering, Tehran. (In Persian)
Anderson, R.M., and Tullis, B.P. (2012). Piano key weir: Reservoir versus channel application. Journal of irrigation and drainage engineering, 138(8), 773-776.
Anderson, R.M. (2011). Piano key weir head discharge relationships. A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of science in civil and environmental Engineering, Utah State university Logan, Utah, USA.
Barcouda, M., Cazaillet, O., Cochet, P., Jones, B.A., Lacroix, S., Laugier, F., Odeyer, C. and Vingny, J.P. (2006). Cost-effective increase in storage and safety of most dams using fuse gates or P. K. weirs. Proc. 22nd ICOLD Congress. Barcelona, Spain.
Chiew, Y. and Melville, B. (1987). Local scour around bridge piers. Journal of Hydraulic Research, 25(1), 15-26.
Chiew, Y.M. (1992). Scour protection at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 118(9), 1260-1269.
Ghodsian, M., Ghafouri, A. and Abdi­Chooplou, Ch. (2020). Experimental investigation of scour downstream of a triangular Piano Key Weir, 3rd International Conference on Civil Engineering, Architecture and Urban Development Management, Iran, Tehran. (In Persian)
Hien, T.C., Son, H.T. and Khanh, M.H.T. (2006). Results of some piano keys weir hydraulic model tests in Vietnam, Proc. 22nd ICOLD Congress, CIGB/ICOLD, Barcelona Q87(R39), 581–596.
Jüstrich, S., Pfister, M. and Schleiss, A.J. (2016). Mobile riverbed scour downstream of a piano key weir. Journal of Hydraulic Engineering, 142(11), 04016043.
Khassaf, S.I. and Al-Baghdadi, M.B. (2015). Experimental study of non-rectangular piano key weir discharge coefficient. International Journal of Energy and Environment, 6(5), 425-436.
Laugier, F., Pralong, J. and Blancher, B. (2011). Influence of structural thickness of sidewalls on PKW spillway discharge capacity. Proc. Intl workshop on wabyrinths and Piano Key Weirs PKW 2011, 159-165.
Laugier, F., Vermeulen, J. and Lefebvre, V. (2013). Overview of piano key weirs experience developed at EDF during the past few years. Labyrinth and piano key weirs II, CRC, Boca Raton, FL, 213–226.
Lempérière, F. and Ouamane, A. (2003). The Piano Keys weir: a new cost-effective solution for spillways. International Journal on Hydropower & Dams, 10(5), 144-149.
Machiels, O. (2012). Experimental study of the hydraulic behavior of Piano Key Weirs, PhD Dissertation, Faculty of Applied Science, University of Liège.
Machiels, O., Erpicum, S., Dewals, B.J., Archambeau, P. and Pirotton, M. (2014). Large scale experimental study of Piano Key weir. Journal of Hydraulic Research, 50(2), 101-108.
Machiels, O., Erpicum, S., Archambeau, P., Dewals, B.J. and Pirotton, M. (2011). Piano key weir preliminary design method: Application to a new dam project. Proc. Int. Conf. Labyrinth and Piano Key Weirs Liège B, 199-206.
Mehboudi, A., Attari, J., Seyed Abbas Hosseini, S.A. and Jalili Ghazizadeh, M.R. (2014). Experimental study comparing Piano Key weir with artillery and linear Weirs, 13th Iranian Hydraulic Conference November 2014, University of Tabriz, Iran. (In Persian)
Michael Scurlock, S., Thornton, C.I. and Abt, S.R. (2012). Equilibrium scour downstream of tree-dimensional grade control structures. Journal of Hydraulic Engineering, 138, 167-176.
Noseda, M., Stojnic, I., Pfister, M. and Schleiss, A.J. (2019). Upstream erosion and sediment passage at Piano Key weirs. Journal of Hydraulic Engineering, 145(8), 04019029.
Ouamane, A. and Lempérière, F. (2006). Design of a new economic shape of weir. Proceedings of the International symposium on dams in the societies of the 21st Century, 18, 463-470.
Phillips, M.A. and Lesleighter, E.J. (2013). Piano Key weir spillway, Upgrade option for a major dam. Labyrinth and piano key weirs II, CRC/Balkema, Leiden, Netherlands, 159–168.
Raudkivi, A.J. and Ettema, R. (1983). Clear-water scour at cylindrical piers. Journal of Hydraulic Engineering, 109(3), 338-350.
Safarzadeh, A. and Noroozi, B. (2016). 3D hydrodynamics of trapezoidal Piano Key spillways. International Journal of Civil Engineering, 15(1), 89-101.
Volume 15, Issue 3 - Serial Number 153
September 2020
Pages 107-122
  • Receive Date: 26 June 2020
  • Revise Date: 03 September 2020
  • Accept Date: 28 August 2020
  • First Publish Date: 22 September 2020